低溫等離子體協同催化處理VOC技術
低溫等離子體協同催化氣體凈化技術的實現是在等離子體區電極材料、放電反應區器壁上涂有催化劑或在電極間填充催化劑,以期對等離子體化學反應進行催化。由于在沿氣流方向等離子體余輝區的產物收集空間也富集了大量的高活性粒子(主要是長壽命的自由基等),因此,若在這些區域填充催化劑,也可以起到一定的催化作用。
等離子體反應器填充材料分類
1鐵電體材料
為了改善放電形式,研究人員嘗試在放電區域填充鐵電性材料顆粒,目前研究最多的是將鐵電體球置于放電電極之間,鐵電性填充顆粒改變了被加速電子的能量分布,也就改變了放電過程中反應物的行為:當電壓施加在填充床上時,介電顆粒被極化,顆粒接觸點的周圍形成很強的電場,局部電場被加強導致放電,氣相中的電子在平均自由程中所獲得的能量也就更多,進而引發氣體分子的鏈反應。研究結果表明,在一定的電壓下,等離子體反應器中添加鐵電性顆粒能夠提高反應器的能量利用率,更高效地生成氧化物,從而提高VOC的去除率。但不足之處在于氧化反應的選擇性較低,能量利用率也有待提高。
2三氧化二鋁
作為常規的催化劑載體,Al2O3具有許多突出特點:具有酸堿兩性及各種強度的酸性中心可用于捕獲電子,所以能夠吸附多種有機物質,且熔點較高。在放電等離子體空間填充Al2O3,最直接的優勢是可以在不增加反應器尺寸的前提下,增加VOC在反應區的停留時間,從而提高降解率;吸附作用能夠造成VOC的相對富集,放電能量的有效利用率隨之大大提升。研究表明,Al2O3可吸附放電等離子體空間被激活的大量短壽命活性粒子,或者在填充進反應器之前就吸附了大量有利于產生高活性自由基的物質,當產生放電時造成局部自由基的富集,強化微孔結構表面的多相降解反應,多孔性顆粒的表面在電子的撞擊下也可能成為活性中心。有人推斷,如果吸附作用和放電作用優化為振蕩模式,有望獲得更高的能量利用率和降解率。
3分子篩催化劑
具有三維交叉直通道的分子篩,主要成分是Al2O3和SiO2,具有熱穩定性高、孔隙率大、活性和選擇性良好等特點。若引入Cu、Na等金屬離子,如Cu/Na-ZSM-5,可更有效提高VOC的降解率。研究表明,選擇合適的吸附、放電周期能更大程度地提高能量利用率,填充分子篩的等離子體反應器除了能抑制NOx的生成外,比填充Al2O3的反應器具有更多的優勢。
4硅膠
硅膠作為一種性能優異的VOC吸附劑,也可填充到等離子體放電區域,與等離子體系統作用來促進VOC的處理效果。研究表明,硅膠的填入,雖然顯著提高了等離子體處理VOC的能量效率,但同時也極大地誘導了二次副產物的生成。
5貴金屬催化劑
在等離子體放電反應區存在的大量活性粒子及高能電子可激活貴金屬催化劑,無需高溫,這樣不僅可以大大提高等離體處理VOC的能量效率,還在很大程度上有效控制了副產物的生成。初步分析機理認為是放電產生的臭氧O3與催化劑的協同效應。
6金屬氧化物及其金屬鹽催化劑
在放電等離子體處理VOC的過程中,臭氧作為強活性氧化物質對VOC的氧化降解起著積極的作用,但若降解后最終排氣的臭氧濃度過高,也將造成空氣污染。MnO2能夠加速O3向O2的轉化,可以作為放電等離子體反應器的后處理來改善最終的排氣品質,轉化過程中生成的活性氧物種也可助力MnO2降解VOC,但不足之處在于一定程度上提高了毒性較大的CO副產物的生成。
7光催化劑
光催化劑如TiO2、TiO2-V2O5、WO3-TiO2等在光催化過程中能產生高活性氧化物(如光致空穴、羥基自由基等),將其填充在放電等離子體區,以放電過程產生的紫外光及大量活性物質(高能離子、O3等)驅動光催化劑的活性,就可以實現光降解和等離子體降解的協同作用。研究表明,光催化劑的填充強化了VOC的深度氧化,大大提高了最終產物CO2的選擇性,同時NOx生成量較少。
8多性能顆粒/混合物
利用顆粒/混合物的吸附、催化、鐵電性等多性能可能綜合改善放電等離子體處理VOC的效果,其優勢在于既可以由鐵電性得到增強的局部電場,又可以由吸附作用增大VOC和活性物質的局部濃度,還可以由催化作用促進降解反應。可以采用VOC降解反應的最終產物COx(COx+CO2)的濃度和選擇性作為評價處理效果的基本參數:COx濃度越高,意味著VOC的降解率越高;CO2選擇性大,則說明VOC完全降解的比例大。
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