粉煤灰小球協(xié)同低溫等離子體處理汽車尾氣
摘要: 針對(duì)汽車尾氣防治,自制了介質(zhì)阻擋放電催化反應(yīng)器,并以改性粉煤灰小球?yàn)榇呋瘎⿲?duì)汽油機(jī)尾氣進(jìn)行處理,研究了脈沖電壓、脈沖頻率、放電間隙及氣體流量qV 等對(duì)NO、HC 和CO 去除率η的影響。結(jié)果表明:NO、HC 和CO 的η隨脈沖電壓、脈沖頻率的增加而增加,隨qV 的增加而減小。當(dāng)放電間隙G在215～315 mm 變化時(shí),3 種污染物的η變化不大;但G增大到4 mm 時(shí),污染物η明顯下降。當(dāng)脈沖電壓為20 kV、脈沖頻率為15 kHz、G= 3 mm、qV = 0105 m3 / h ,并以改性粉煤灰小球?yàn)榇呋瘎⿻r(shí),NO、HC 和CO 的η分別能達(dá)到8416 %、8717 %和5415 % ,比相同條件下不填充時(shí)分別增加了12.6 %、7.2 %和6.2 %。研究表明:改性粉煤灰小球作為催化劑,能顯著提高汽油機(jī)尾氣中污染物的η。研究為等離子體催化技術(shù)提供了一種新型催化劑。
關(guān)鍵詞: 低溫等離子體, 汽車尾氣, 介質(zhì)阻擋放電, 催化劑, 改性粉煤灰小球, 去除率
0 引言
汽車排氣污染物的治理日益受到關(guān)注。低溫等離子體技術(shù)處理汽車尾氣具有處理效率高、運(yùn)行成本低、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn),已成為等離子體學(xué)科的研究熱點(diǎn)。而低溫等離子體和催化劑協(xié)同作用技術(shù)處理有害氣體更具優(yōu)勢(shì),并能取得良好的污染物去除效果。文用介質(zhì)阻擋放電等離子體和V2O5 2WO3 / TiO2 催化劑選擇性催化還原氮氧化物;文采用3 種不同的催化劑Al2 O3 、 Ba TiO3 及Al2O3 + Pb 協(xié)同低溫等離子體處理模擬煙氣,對(duì)其中NOx 的脫除進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究;文采用自制介質(zhì)阻擋放電催化反應(yīng)器并以γ2Al2 O3 小球?yàn)榇呋瘎?對(duì)實(shí)際汽油機(jī)尾氣中污染物脫除進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究;文也分別采用低溫等離子與催化劑協(xié)同作用對(duì)汽車尾氣等進(jìn)行處理研究。已有研究表明催化劑的加入能提高尾氣中污染物的去除率 η,但多采用Al2 O3 、Ba TiO3 、TiO2 、鋁硅酸鹽等作為催化劑。本文以工業(yè)固體廢棄物粉煤灰為原料自制改性粉煤灰小球,作為介質(zhì)阻擋放電催化反應(yīng)器的催化劑,對(duì)實(shí)際汽油機(jī)尾氣進(jìn)行凈化處理,研究了各參數(shù)對(duì)尾氣中主要污染物去除的影響規(guī)律。
1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法
1. 1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見圖1 。實(shí)際汽油機(jī)尾氣由型號(hào)為HONDA EC2500L 的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在正常定速運(yùn)行條件下產(chǎn)生;介質(zhì)阻擋放電催化反應(yīng)器為同軸式放電管(自制設(shè)備) ,催化劑為自制改性粉煤灰小球,填充率為40 %;采用高壓脈沖電源供電,脈沖電壓峰值≤80 kV ,脈沖寬度≤500 ns ,脈沖前沿上升時(shí)間 ≤100 ns ,脈沖頻率≤100 kHz 。
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實(shí)驗(yàn)時(shí),汽油機(jī)尾氣通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié),得到不同 qV 的工作氣體,然后進(jìn)入介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器,在等離子體及催化劑的協(xié)同作用下進(jìn)行反應(yīng)。尾氣中氣體污染物濃度由KM9106 型綜合煙氣分析儀和 DEL TA 1600-L 型汽車尾氣分析儀分析。
1. 2 催化劑的制備
催化劑制備原料粉煤灰來自于鎮(zhèn)江某電廠,其主要礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù): w (SiO2 ) = 60120 % , w (Al2 O3 ) = 25.41 % ,w ( Fe2O3 ) = 2.87 %。制作工藝流程:粉煤灰與一定比例的助溶劑在約800 °C下煅燒115 h , 再加濃度為3 mol/ L 的氫氧化鈉溶液(粉煤灰和助溶劑與氫氧化鈉溶液的體積比為1 :8) 在100 °C下晶化5 h ,經(jīng)過濾洗滌后在300 °C下活化1 h ,然后制成直徑為1.5 mm 的改性粉煤灰小球。
經(jīng)檢測(cè),改性粉煤灰小球的相對(duì)介電常數(shù)為 719 ,比表面積為101.3 m2 / g。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
污染物的η以凈化前后汽油機(jī)尾氣中污染物濃度的相對(duì)變化量計(jì)算。采用直接取樣法采集樣氣, 其η= ( c1 2c2 ) / c1 , c1 、c2 分別為凈化前、后污染物濃度。在研究脈沖電壓Up 、脈沖頻率f p 、中心電極與介質(zhì)層間隙G及qV 對(duì)污染物去除效果的影響時(shí),介質(zhì)阻擋放電催化反應(yīng)器采用石英玻璃作為絕緣介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)均在常溫常壓下進(jìn)行。
2. 1 脈沖電壓的影響
當(dāng)f p = 15 kHz 、G = 3 mm、qV = 0105 m3 / h 時(shí), NO、HC 和CO 的η隨放電電壓的變化趨勢(shì)見圖2 。由圖2 知,NO、HC 和CO 的η均隨脈沖電壓的增加而增加。當(dāng)尾氣中污染物濃度一定時(shí),電壓增加,電場(chǎng)強(qiáng)度亦增加,電子的平均動(dòng)能變大,從而使裂解、電離等反應(yīng)頻率提高,活性粒子數(shù)目增加,最終使污染物η上升。此外,該反應(yīng)器去除NO 和HC 的效果明顯優(yōu)于CO ,這可能因反應(yīng)器中CO2 、顆粒物等在適當(dāng)?shù)臈l件下又生成了CO。
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2. 2 脈沖頻率的影響
脈沖頻率f p 是影響放電的主要因素之一。若頻率低,則易在2 極間形成粗的絲狀放電;若頻率處于某一頻段內(nèi),使得離子在兩極間震蕩,來不及在半個(gè)周期內(nèi)到達(dá)極板,而遷移率高的電子仍能撞擊到極板上,則可產(chǎn)生均勻的輝光放電;若頻率更高,電子和離子都不能到達(dá)極板,則在兩極間可形成由擴(kuò)散作用控制的放電。
實(shí)驗(yàn)在Up = 16 kV、G= 3 mm、qV = 0.05 m3 / h 、 f p = 10～40 kHz 時(shí)獲得大氣壓下的均勻輝光放電。污染物η與f p 間的關(guān)系曲線見圖3 。圖3 表明:隨頻率的提高污染物的η增加,主要因f p 的提高增加了反應(yīng)區(qū)的高能電子濃度。但與Up 相比, f p 的增加對(duì)NO、HC 去除效果的影響不太大,故不能僅依靠增加f p 來提高尾氣中污染物的η。
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2. 3 中心電極與介質(zhì)層間隙的影響
在相同輸入電壓下,反應(yīng)器的G 對(duì)反應(yīng)器的放電過程和放電功率有一定的影響, 但同時(shí)也會(huì)影響汽油機(jī)尾氣在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間。故從理論上分析G對(duì)尾氣中污染物的η會(huì)有影響。
實(shí)驗(yàn)條件:Up = 16 kV、f p = 15 kHz、qV = 0.05 m3 / h ,G對(duì)污染物η的影響見圖4 。由圖4 可見, G 在2.5～4 mm 變化時(shí),G增大,η呈下降趨勢(shì)。但G 在2.5 、3 和3.5 mm 變化時(shí),3 種污染物的η變化不大,G越小,放電功率越大(有利于污染物的去除) , 但同時(shí)尾氣在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間越短(不利于污染物的去除) ;而G 越大,放電功率越小(不利于污染物的去除) ,尾氣在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間越長(zhǎng)(有利于污染物的去除) ,G變化所引起的放電功率變化與尾氣在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間變化對(duì)污染物η的影響大體相當(dāng)。而當(dāng)G= 4 mm 時(shí),3 種污染物的η下降趨勢(shì)明顯,表明放電功率減小對(duì)污染物η的影響占據(jù)了主導(dǎo)地位。
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2. 4 qV 的影響
Up = 16 kV , f p = 15 kHz 、G= 3 mm 時(shí)污染物η 與qV 關(guān)系曲線見圖5 。圖5 表明,NO、HC 和CO 3 種污染物的η均隨qV 的增大而降低。主要因隨qV 增大,催化劑單位表面上污染物負(fù)荷增加;另外, qV 越大,尾氣在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間越短,去除NO、HC 和CO 的反應(yīng)發(fā)生得越少,污染物η也就越低。
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2. 5 改性粉煤灰小球的催化效果及機(jī)理分析
為探討改性粉煤灰小球在處理汽油機(jī)尾氣中所起的作用,分別采用不填充催化劑、填充γ2A12O3 小球和填充改性粉煤灰小球3 種介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器,并在相同條件下對(duì)汽油機(jī)尾氣進(jìn)行處理。 Up = 20 kV、f p = 15 kHz、G = 3 mm、qV = 0105 m3 / h 下實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6 。
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與不填充催化劑相比,填充γ2A12 O3 小球后, NO、HC 和CO 的η分別增加了1512 %、714 %和 718 %;而填充改性粉煤灰小球后,NO、HC 和CO 的η分別能達(dá)到8416 %、8717 %和5415 %,比不填充時(shí)分別增加1216 %、712 %和612 %。故在介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器中填充改性粉煤灰小球也能顯著提高汽油機(jī)尾氣中NO、HC 和CO 的η。
改性粉煤灰中含有大量活性氧化物SiO2 和Al2 O3 ,少量Fe2 O3 、CaO、MgO 等化合物,還含有不同數(shù)量的微小氣泡和微小活性通道,故粉煤灰表面呈多孔結(jié)構(gòu),其孔隙率能達(dá)到60 %～70 % ,比表面積較大。此外,粉煤灰表面上的原子力多呈未飽和狀態(tài),使其具有較高的比表面能和較好的表面活性。電極施加高電壓改性粉煤灰小球顆粒被極化,從而在每個(gè)小球周圍產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng),與不填充催化劑相比產(chǎn)生更多的高能電子及O、OH、HO2 等自由活性粒子;同時(shí)因改性粉煤灰的比表面積較大,造成污染物質(zhì)、自由基等活性物種的局部富集,提高了能量的有效利用率,故提高了NO、HC 和CO 的η。
3 結(jié)論
a) 以改性粉煤灰小球?yàn)榇呋瘎┑慕橘|(zhì)阻擋放電反應(yīng)器處理實(shí)際汽油機(jī)尾氣時(shí),NO、HC 和CO 的η 均隨Up 的增加而增加;該反應(yīng)器去除NO 和HC 的效果明顯優(yōu)于CO。
b) 提高頻率有助于增加污染物η,但f p 對(duì)NO 和CO 的去除效果影響不大。
c) G = 215 、3 和315 mm 間變化時(shí),3 種污染物的η變化不大;但當(dāng)G 達(dá)到4 mm 時(shí),3 種污染物η 的下降趨勢(shì)明顯。
d) qV 越大,污染物η越低。
e) 改性粉煤灰小球作為催化劑填充于介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器中,能顯著提高汽油機(jī)尾氣中污染物的η。改性粉煤灰小球的使用,為汽車尾氣治理提供了一條新途徑。
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