低温等离子技术处理有机废气的研究[文献综述]

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环境科学

低温等离子技术处理有机废气的研究

1.1.等离子体概述

等离子体是不同于固、液、气等状态的物质存在的第四种状态，由大量正负带电粒子和中性粒子组成并表现出集体行为的一种准中性气体[1]。等离子体可分为热力学平衡状态等离子体和非热力学平衡状态等离子体。当电子温度Te与离子温度Ti、中性粒子温度Tg相等时，等离子体处于热力学平衡状态，称之为平衡态等离子态。当Te>>Ti时，称之为非平衡态等离子体，其电子温度可高达10000K以上，而其离子和中性粒子温度可低至300-500K。

1.1.1 低温等离子体概念

非平衡态等离子体也称为低温等离子体，一般气体放电产生的等离子体属于这一类型。根据放电产生的机理、气体的压强范围、电源性质以及电极的几何形状，气体放电等离子体可分为：

（1）辉光放电（glow discharge） （2）电晕放电(corona discharge)

（3）介质阻挡放电(dielectric barrier discharge) （4）射频放电(radio frequency discharge) （5）微波放电(microwave discharge)

1.1.2等离子体法特点

等离子体技术有很多优点，高效率、低能耗、使用范围广、处理量大、操作简单20世纪80年代以来利用低温等离子体治理环境污染成为国内外研究热点之一，但是单纯的等离子体处理技术存在许多缺点，例如会产生一氧化碳、臭氧、气溶胶颗粒等副产物，废气分解不完全，而且去除效率低，能耗大，不适合工业应用[2]。所以现在被现实应用的等离子体技术大部分是与其他技术相结合。

下面将列举一些与等离子体技术相结合的处理技术，并分别对它们进行优缺点分析。

2.1.国内发展较成熟技术

低温等离子体技术。低温等离子体技术对挥发性有机物的去除具有去除率高，无二次污染产生，易操作等优点[3]。目前国内外对该技术的研究主要是针对等离子体反应器、反应过程、反应产物、反应机理等方面的研究。等离子体反应器主要分为填充式放电反应器、介质

阻挡放电反应器、沿面放电反应器、脉冲电晕放电反应器。放电反应器中填充材料研究较多的是钛酸钡材料。反应产物主要包括无机产物和有机产物两种，无机产物如O3、NO、NO2和CO。

低温等离子体协同光催化技术。在低温等离子体中加入光催化剂能够提高污染物的去除效率，大大降低能耗和副产物的产生[4]。光催化具有能耗低、副产物少、反应条件温和、过程简单等优点。低温等离子体光催化协同净化技术集成了低温等离子体和光催化的优势，两者相互协同，优势互补，而且充分利用了等离子体场中产生的紫外光，是一种非常高效、节能的降解有机废气的方法。

滑动弧放电可产生一种周期性摆动非平衡等离子体。该技术产生的基本原理是在一对电极间加上电压并通过气流，在电极之间最窄处( A)形成放电弧，利用气流来推动电弧( B)，使它向下游移动，同时电弧的长度随着电极间距离的增大而增加，当电弧长度达到临界值时消失( C)，同时在电极最窄处( A)形成新的电弧,重复上述过程形成脉冲放电[5]。20世纪90年代初期，法国人Czenichovski A.提出纯气流推动滑动弧放电方案，并成功地应用于很多等离子体化学工艺，使滑动弧放电再一次成为受欢迎的等离子体技术。

2.2.国外发展较成熟技术

等离子体联合催化氧化技术。这种新型方法结合了低温等离子体的快速反应与催化氧化的高选择性[6]。低温等离子体可被应用于很宽的VOCs浓度范围（1-10000PPM），治理时这个范围被传统技术不合适。

2.3.国内发展中的技术

这些技术主要包括等离子体联合纳米技术、脉冲电晕等离子体法、非平衡态等离子体处理技术、微波等离子体射流技术。

等离子体联合纳米技术。该技术具有降解率高、高能效的优点。电场强度足够高时能降解有机废气[7]。

脉冲电晕等离子体法。该方法的灵敏度高，不需使用有机试剂，本底值低，但由于样品是一次性进样，所以在无法确定样品的浓度时，有时需要进行多次取样分析[8]。通过提高脉冲电压峰值，改变脉冲频率，增加空气流量，降低模拟废气流量，延长停留时间，提高温度等，都能使对挥发性有机废气去除率的提升。

2.4.国外发展中的技术

非平衡态等离子体处理挥发性有机废气技术。它是一种物理与化学相结合的方法，原理是利用放电形成非平衡态等离子体，产生大量高能电子与气体分子作用，可以有效地将污染

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物转化为无害物质而不产生二次污染[9]。

3.1.各种等离子体处理技术的异同

以上提到了7种等离子体处理挥发性有机废气的方法，均不是单纯的等离子体处理，而是与其他处理技术相结合形成的新技术，都汲取了等离子体技术的高效率、低能耗、使用范围广、处理量大、操作简单的优点，再加上其他处理技术的优点弥补了等离子体技术的缺陷，使其在处理某些特定的有机废气时效率很高。

3.2.等离子体处理技术存在的问题

1.反应时间过长如何确保对VOCs处理效率恒定

2.对VOCs治理的研究仅限于试验阶段，如何在实验室阶段的基础上实现工业化应用。 3.工业中产生的有机废气往往是多种有机污染物的混合物，开发能够同时处理多种污染物的等离子体技术[10]。

3.3.VOCs污染的现状

VOCs恶臭污染物质是以类具有异味且具有挥发性的有机气态污染物质，对VOCs排放控制已成为一个重要议题，因为它们不仅对人类健康而且对环境有害。许多VOCs被证实具有致癌性和诱突变性。另外，VOCs一旦被排入大气会成为光化学烟雾二次气溶胶和臭氧的基础物。各国都在积极开发技术来处理VOCs，也取得了非常多的成就，对处理污染物带来了积极一面。

传统的处理方法有：燃烧法、吸附法、冷凝法、催化降解法和生物法等。

3.4.等离子体技术现状

20世纪60年代形成的等离子体化学是涉及高能物理、放电物理、放电化学、反应工程学、高压脉冲技术等领域的一门交叉学科。进入80年代后，将等离子体用于处理各类污染物成为国内外研究的热门之一。与其他污染治理技术相比，等离子体法具有处理流程短、去除率高、能耗低、适用范围广等特点。等离子体被称作除固态、液态和气态之外的第4种物质存在形态，是由电子、离子、自由基和中性粒子组成的导电性流体，整体保持电中性。按粒子的温度，等离子体可分为热平衡等离子体或热等离子体（Thermal plasma）和非平衡等离子体或低温等离子体（Cold plasma）。非平衡等离子体较平衡等离子体易于产生，在环保领域有着广泛的应用前景。

其中等离子体与光催化的协同作用，集合了等离子体和光催化的优点，优势互补，而且两者之间能够起到协同作用，克服双方存在的缺点，相互促进，因而对空气污染物具有优良的去除效果[11]，是一项非常值得研究和具有广泛应用前景的技术。

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3.5.等离子体处理有机废气发展趋势

在VOCs的治理上，等离子体技术是一项非常有前景的技术，在今后的发展中，主要是趋向于与其他有机废气处理技术更紧密的结合，特别是等离子体-催化协同作用是今后的研究方向，开发新型高效的催化方式和催化剂，提高协同反应效率和催化剂的选择性充分利用各种技术的优点，以达到取长补短的目的[12]。

在处理设备方面目前还处于初步阶段，要加大对这方面投入，对反应器的结构进行优化，以解决实验室向工业废气处理实际应用的转向。

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