利用低温等离子体技术脱除甲醛的研究

1、第2 5 卷增刊北京理工大学学报 v 0 1 2 5 s u p p l 2 0 0 5 年9 月t r a n s a c t i o n so f b e i j i n gi n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y s e p 2 0 0 5 文章编号：1 0 0 1 - 0 6 4 5 ( 2 0 0 5 ) 增刊- 1 8 9 - 0 4 利用低温等离子体技术脱除甲醛的研究 缪劲松，徐红丽，欧阳吉庭 ( 北京理工大学理学院，北京1 0 0 0 8 i ) 摘要：利用低温等离子体技术对脱除甲醛进行实验研究设计了介质阻挡放电和电晕放电反应器，并分别加

2、 以高频交流高压和交直流叠加高压比较了在不同工作参数下甲醛的脱除效果实验结果表明，用介质阻挡放电 脱除甲醛的脱除率及能量效率都比电晕放电的高，在低体积分数( 1 0 - 5 下) 其脱除率可达9 9 以上，在高体积 分数( 2 1 0 - 4 左右) 其脱除率可达9 0 队i 这说明在甲醛体积分数相对于室内空气甲醛含量超标1 0 0 倍内时， 可利用介质阻挡放电脱除甲醛 关键词：介质阻挡放电；电晕放电；甲醛；低温等离子体 中图分类号：0 5 3 9文献标识码：a r e m o v a lo ff o r m a l d e h y d eu s i n gn o n t h e r m a

3、lp l a s m a st e c h n o l o g y m i a oj i n - s o n g ，x uh o n g l i ，o u y a n g j i - r i n g ( s c h o o lo f s c i e n c e ，b e i j i n gi n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y , b e i j i n g1 0 0 0 8 1 ，c h i n a ) a b s t r a c t ：e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r e s e n t e

4、df o rr e m o v a lo ff o r m a l d e h y d eu s i n gn o n t h e r m a lp l a s m a s t e c h n o l o g y d b da n dc o r o n ad i s c h a r g er e a c t o r sa r ed e s i g n e di nt h er e s e a r c h t h eh i g hf r e q u e n c y a ch i l 曲v o l t a g ea n dd c a ch i g hv o l t a g ea r ea p p

5、l i e do nt h et w ok i n d so fr e a c t o r sr e s p e c t i v e l y , a n dt h e r e m o v a le f f e c t so ff o r m a l d e h y d ea r ec o m p a r e du n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gp a r a m e t e r s t h er e s u l t ss h o w t h a td b di sm o r ef e a s i b l et h a nc o r o n ad i

6、s c h a r g ef o rt h er e m o v a lo ff o r m a l d e h y d ew i t har e m o v a lr a t e o fm o r et h a n9 9 u n d e rl o wc o n c e n t r a t i o n ( 101 ) a n dm o r et h a n9 0 u n d e rh i g hc o n c e n t r a t i o n ( 2x1 0 1 ) t h i si n d i c a t e st h a tt h ef o r m a l d e h y d ec a

7、nb er e m o v e dt ou n d e rn a t i o n a ls t a n d a r db y d b di ft h ef o r m a l d e h y d ec o n c e n t r a t i o ni sn o t10 0 t i m e sm o r et h a nn a t i o n a ls t a n d a r df o r f o r m a l d e h y d e k e y w o r d s ：d b dd i s c h a r g e ；c o r o n ad i s c h a r g e ；f o r m a

8、 l d e h y d e ；n o n - t h e r m a lp l a s m a 低温等离子技术早在2 0 世纪7 0 年代就被人们 用于废气和废水的处理，如臭氧的产生技术2 0 世 纪末，低温等离子技术在环境污染治理方面的应用 成为研究的重点，人们开始利用低温等离子体技术 处理各种对环境有严重破坏和对人类健康有较大影 响的 ：业废气，如s 0 2n o x 和v o c s 川 在对挥发性有机废气( v o c s ) 的脱除方面， y a m a m o t o 等首先报道了利用脉冲放电等离子体技 术处理低浓度有机废气的实验结果1 3 j ： 随后，各种 形式的放电技术，如

9、电晕放电、沿面放电及介质阻 挡放电等 4 5 6 1 ，被用于对各种v o c s 废气的脱除， 其中对甲苯【7 】、硝基苯【8 】、三氯乙烯等有机废气的处 理都取得了很好的效果【9 1 由于挥发性有机废气的 种类繁多，对不同成分的脱除机理也各不相同，因 收稿日期：2 0 0 5 0 5 2 0 作者简介：缪劲松( 1 9 6 7 - - ) 男，副教授，e - m a i l ：j i n s o n gm i a o b i t e d uc n 万方数据 北京理工大学学报第2 5 卷 此对不同的挥发性有机废气，采取的放电技术和：j 二 作参数是非常重要的 甲醛，作为一种非常有害的有机废气

10、，已在许 多场合对人的身体健康构成了严重威胁本文作者 对不同体积分数甲醛的脱除进行了实验研究实验 中采用了高频交流的介质阻挡放电和交直流叠加的 电晕放电反应器对高浓度和低浓度的甲醛进行脱 除，研究不同工作参数对脱除率、能耗等的影响， 为该技术应用于工业废气的处理及室内空气净化打 下基础 1 实验装置及方法 实验系统结构原理简图如图1 所示，由电源系 统、配气系统、反应器系统和测量系统4 部分组成 图l 实验流程图 f i g ；i f i o wc h a r to f e x p e r i m e n t 电源系统提供高频交流和交直流叠加的高压信 号，其中交流的频率为5 0k h z ，峰

11、峰值为0 - - - 2 0k v 可调：直流电压为o 4 0k v 可调反应器系统分别 用介质阻挡放电型反应器和针板式电晕放电反应 器，介质阻挡放电型反应器的结构如图2 所示该 反应器为圆柱型结构，内电极为高压电极，其上加 一高频交流高压，外电极为地电极，外电极内壁上 紧贴一层陶瓷管，气体从内电极与陶瓷管之间的 lm m 的缝隙通过在针板式电晕放电反应器上加一 交直流叠加的高压信号 进气_ o - 一 高压 士极这介质压电极地电极 陶瓷介质 高压电极 图2 介质阻挡放电反应器 f i g ，2 d b dr e a c t o r 供气系统产生体积分数为0 - - - 5 0 0 10 邓可

12、调的 甲醛和空气的混合气体测量系统主要包括测量低 浓度( 0 - 2 0 x 1 0 - 6 ) 甲醛的美国i n t e r s c a n 公司的 i n t e r s c a n4 1 6 0 数字分析仪及对高浓度( 2 0 5 0 0 x 1 0 6 ) 甲醛的采样器和德国o p t o n 公司的d m r2 2 分光光度计系统，另外还包括电压和电流波形的 t e k t r o n i xp 6 0 15 高压探头和p 6 0 2 2 电流探头以 及h i t a c h iv c 6 0 4 5 示波器通过对处理前后甲醛 浓度的测量可以计算出甲醛的脱除率，通过对电压 和电流波形

13、的测量可以计算出注入反应器的能量， 从而计算出不同条件下脱除甲醛的能耗 实验中主要对甲醛的脱除率及能耗随电压、注 入功率、甲醛浓度、处理时间的变化关系进行了研 究，并对于采用交直流叠加的放电形式的针板式反 应器，以及交直流成分的不同比例对甲醛脱除的影 响进行了研究 2 实验结果 2 1 利用介质阻挡放电脱除甲醛 实验采用图2 所示的介质阻挡放电型反应器， 在其高压电极上加一5 0k h z 的交流高压，在高浓度 和低浓度下对甲醛的脱除进行了研究，处理时间均 为o 3 7s 图3 是甲醛的脱除率随所加交流高压的峰 值电压而变化的实验曲线 摹 褂 鬣 婆 图3 甲醛脱除率随电压变化的关系曲线 f

14、i g3 r e m o v a lr a t eo f h c h oa saf u n c t i o no f v o l t a g e 由图3 可见，对于高浓度和低浓度的甲醛，其脱 除率均随峰值电压的升高而增大，这是因为峰值电压 越高，注入功率越大，脱除甲醛所需的活性粒子的数 目越多在相同的峰值电压下，低浓度甲醛的脱除率 比高浓度甲醛的大，在峰值电压为6k v 时，其脱除 率已达9 9 以上，而高浓度甲醛的脱除率在7 5 左 右，这是因为在相同注入功率下，高浓度甲醛的分子 数占活性粒子数的比例较小从低浓度甲醛的脱除率 可以看出，在注入功率为1 9w 时，其脱除率已达 万方数据 增刊缪

15、劲松等：低温等离了体方法脱除甲醛1 9 l 9 9 ，也就是说，在甲醛浓度超过室内空气国标1 0 0 倍时，基本可降到国标要求的甲醛浓度( 0 1m g m 3 ) 左右要继续降低甲醛浓度，可通过加长处理时间来 实现图4 是在一定的注入功率下，甲醛的脱除率随 处理时间的变化曲线 图4 甲醛脱除率随处理时| 1 | i 】变化的曲线 f i g4r e m o v a lr a t eo fh c h oa saf u n c t i o no f a c t i n gt i m e 从图4 可以看出，在同样的注入功率下，甲醛 的处理时间加长，甲醛的脱除率如预期样升高， 因为甲醛和放电产生的活

16、性粒子有更氏的作用时 间在实际设计不同用途的甲醛脱除器时，如f 业 废气的甲醛脱除或室内空气净化，为了达到一定的 脱除率，可根据需要选择合适的注入功率和处理时 间当注入功率较高时，虽然处理时间较短，处理 量也较大，存在反应器发热的问题：虽然加长处理 时间可以克服反应器注入功率过大而产生的发热问 题，但又存在处理量较小的问题 2 2 利用针板式电晕放电脱除甲醛 实验中还采用了针板式电晕放电反应器，在其 电晕针上加直流基压和5 0 k h z 左右的交流高压相耦 合的电压信号，在高浓度和低浓度条件下对甲醛的 脱除进行了研究图5 是在相同的直流基压下甲醛 的脱除率随叠加的交流高压而变化的关系曲线 从

17、图5 可以看出，在直流基压为2 0k v 的条件 下，甲醛的脱除率都随交流电压的峰值的升高而增 大，在交流峰值电压为1 5k v 时，对低浓度甲醛的 脱除率可达9 0 ，而高浓度甲醛的脱除率只有7 0 为了确定这种电晕放电形式中直流成分和交流 成分对甲醛脱除的贡献，作者在相同的总注入功率 和不同的交直流成分的比例下，对甲醛的脱除效果 进行了测量图6 是在相同的注入总功率下，甲醛 的脱除率随交流功率成分占总功率的比例的变化 曲线 从图6 可以看出，在相同的注入总功率下，以 交、真流形式注入的功率间的比例对甲醛的脱除有 很大影响当总功率只以交流或直流形式注入时， 甲醛的脱除率都较低，分别为9 和5

18、 5 当赢流基 压为2 0k v ，交流为1 5k v 时，其脱除率最高，为 8 0 ，其脱除甲醛的能量效率也最高而2 0k v 的直 图5 甲醛脱除率随耦合f i 勺交流电压变化的关系曲线 f i g 5 r e m o v a lr a t eo fh c h oa saf u n c t i o no f a c v o l t a g e 图6 甲醛脱除率随交流成分占总注入功率的比例而变化的关系曲线 f i g6 r e m o v a lr a t eo fh c h oa saf u n c t i o no fa c t o t a lp o w e rr a t i o 流基压

19、正好接近于此针板反应器的起晕电压，此时 加上的高频交流电压全部以电晕放电的形式注入反 应器，因此其能量效率也最高 3 分析与讨论 采用介质阻挡放电和针板式电晕放电两种放电 模式对甲醛脱除的影响进行了研究从以上实验结 果可以看出，对于两种形式的反应器，甲醛的脱除 率都随注入功率的升高而增大，在低浓度时甲醛的 脱除率可达9 0 以上，而高浓度下也可达、8 0 以 上表l 是利用这两种放电模式对甲醛进行脱除的 能量效率的比较 由表1 可以看出，在相同的浓度条件下，介质 阻挡放电模式比电晕放电模式脱除甲醛的能量效率 万方数据 1 9 2北京理工大学学报第2 5 卷 表1甲醛脱除的能量效率比较 t a

20、b l e 1 c o m p a r i s o n so fe n e r g ye f f i c i e n c yo f r e m o v eo ff o r m a l d e h y d e 放电类型 能量效率( 斗g j ) 高浓度2 8 5 1 0 “低浓度1 5 1 0 “ 更高因此，介质阻挡放电形式更适合于甲醛的脱 除对于同种放电模式，甲醛初浓度高时比低时脱 除的能量效率高在利用低温等离子体技术处理工 业废气或进行室内空气净化时，可采用介质阻挡放 电模式在处理高浓度和低浓度的甲醛气体时，可 适当调整注入功率和处理时间之间的关系，使其达 到要求的脱除率 4 结论 无论是采

21、用介质阻挡放电还是电晕放电模 式，都能有效脱除甲醛，其脱除率随注入功率的升 高而增加，在低浓度下可达9 0 以上，在高浓度下 也可达8 0 以上 当甲醛的处理时间较短时，脱除率也降低， 实际中可兼顾处理时间和注入功率，使在不同的应 用领域，如工业废气处理或进行室内空气净化，都 能达到要求的脱除率 利用介质阻挡放电模式脱除甲醛，其脱除 率和能量效率都比电晕放电的高，在低浓度 ( 1 0 x 1 0 咱- f ) 其脱除率可达9 9 以上，在高浓度 f 2 0 0 1 0 _ 6 左右) 其脱除率也可达9 0 以上这说明 在甲醛浓度相对于室内空气甲醛含量的国标超标 1 0 0 倍内时，利用介质阻挡

22、放电可更有效地脱除甲 醛 实际中，还可进一步优化介质阻挡放电反 应器，或者引入催化剂，使其能量效率达到实际应 用的要求 参考文献： 2 k o i c h it a k a k i ，m a s a k is h i m i z u ，s e i j im u k a i g a w a ， e ta 1 e f f e c to fe l e c t r o d e s h a p ei n d i e l e c t r i c b a r r i e r d i s c h a r g ep l a s m ar e a c t o rf o rn qr e m o v a l j 】

23、i e e e t r a n s a c t i o n so np l a s m as c i o a c e ，2 0 0 4 3 2 ( 1 ) ：3 2 3 8 张强，顾瑶，余刚等氮氧化物在等离子体中 的分解与转化【j 】燃烧科学与技术，2 0 0 2 ，8 ( 6 ) ：5 1 2 - - 5 1 4 z h a n gq i a n g ，g uf a n ，y ug a n g ，e ta 1 d e c o m p o s i t i o n a n dc o n v e r s i o no fn i t r o g e no x i d e su s i n gn o

24、n e q u i l i b r i u m p l a s m ai nf l u eg a s j 】j o u r n a lo fc o m b u s t i o ns c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , 2 0 0 2 ，8 ( 6 ) ：5 1 2 5 1 4 ( i nc h i n e s e ) 3 y a m a m o t ot ，r a m a n a t h a nk ，l a w l e s spa ，e ta 1 c o n t r o l o fv o l m i l eo r g a n i cc o m p o

25、u n d sb ya na ce n e r g i z e d f e r r o e l e c t r i c p e l l e t r e a c t o ra n da p u l s e d c o r o n a r e a c t o r j 】 i e e et r a n s a c t i o no ni n d u s t r ya p p l i c a t i o n ， 1 9 8 9 ：2 1 7 5 2 1 7 9 。 4 吴祖良，周勇平，高翔等放电等离子体处理v o c s 的研究 j 电站系统工程，2 0 0 3 ，1 9 ( 4 ) ：7 1 2 w

26、 uz u l i a n g ，z h o uy o n g p i n g ，g a ox i a n g ，e ta 1 t h e s t u d yo nd i s c h a r g ep l a s m at r e m i n gv o c s j l ，p o w e r s y s t e me n g i n e e r i n g ，2 0 0 3 ，1 9 ( 4 ) ：7 一1 2 ( i nc h i n e s e ) 5 黄立维，谭天恩脉冲电晕法治理甲苯废气实验研 究 j 中国环境科学，1 9 9 7 ，1 7 ( 5 ) ：4 4 9 - - 4 5 3 h

27、 u a n gl i w e i ，t a nt i a n e n e x p e r i m e n t a ls t u d yo n p u l s e d c o r o n a d i s c h a r g e f o rt h er e m o v a lo f t o l u e n e j c h i n ae n v i r o n m e n t a ls c i e n c e ，1 9 9 7 , 1 7 ( 5 ) ： 4 4 9 - - 4 5 3 ( i nc h i n e s e ) 6 蒋洁敏，侯健，郑光云等介质阻挡放电常压分解 苯、二甲苯 j 中国环

28、境科学，2 0 0 1 ，2 1 ( 6 ) ：5 3 1 5 3 4 j i a n gj i e m i n ，h o uj i a n ，z h e n gg u a n g y u n ，e ta 1 t h e d e c o m p o s i t i o no fb e n z e n ea n dx y l e n eu n d e rn o r m a l a t m o s p h e r i cp r e s s u r eb yd i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e j c h i n ae n v i r o n m e n t a l s c i e n c e ，2 0 0 1