低温等离子体协同催化处理VOC技术
低温等离子体协同催化气体净化技术的实现是在等离子体区电极材料、放电反应区器壁上涂有催化剂或在电极间填充催化剂,以期对等离子体化学反应进行催化。由于在沿气流方向等离子体余辉区的产物收集空间也富集了大量的高活性粒子(主要是长寿命的自由基等),因此,若在这些区域填充催化剂,也可以起到一定的催化作用。
等离子体反应器填充材料分类
1铁电体材料
为了改善放电形式,研究人员尝试在放电区域填充铁电性材料颗粒,目前研究最多的是将铁电体球置于放电电极之间,铁电性填充颗粒改变了被加速电子的能量分布,也就改变了放电过程中反应物的行为:当电压施加在填充床上时,介电颗粒被极化,颗粒接触点的周围形成很强的电场,局部电场被加强导致放电,气相中的电子在平均自由程中所获得的能量也就更多,进而引发气体分子的链反应。研究结果表明,在一定的电压下,等离子体反应器中添加铁电性颗粒能够提高反应器的能量利用率,更高效地生成氧化物,从而提高VOC的去除率。但不足之处在于氧化反应的选择性较低,能量利用率也有待提高。
2三氧化二铝
作为常规的催化剂载体,Al2O3具有许多突出特点:具有酸碱两性及各种强度的酸性中心可用于捕获电子,所以能够吸附多种有机物质,且熔点较高。在放电等离子体空间填充Al2O3,最直接的优势是可以在不增加反应器尺寸的前提下,增加VOC在反应区的停留时间,从而提高降解率;吸附作用能够造成VOC的相对富集,放电能量的有效利用率随之大大提升。研究表明,Al2O3可吸附放电等离子体空间被激活的大量短寿命活性粒子,或者在填充进反应器之前就吸附了大量有利于产生高活性自由基的物质,当产生放电时造成局部自由基的富集,强化微孔结构表面的多相降解反应,多孔性颗粒的表面在电子的撞击下也可能成为活性中心。有人推断,如果吸附作用和放电作用优化为振荡模式,有望获得更高的能量利用率和降解率。
3分子筛催化剂
具有三维交叉直通道的分子筛,主要成分是Al2O3和SiO2,具有热稳定性高、孔隙率大、活性和选择性良好等特点。若引入Cu、Na等金属离子,如Cu/Na-ZSM-5,可更有效提高VOC的降解率。研究表明,选择合适的吸附、放电周期能更大程度地提高能量利用率,填充分子筛的等离子体反应器除了能抑制NOx的生成外,比填充Al2O3的反应器具有更多的优势。
4硅胶
硅胶作为一种性能优异的VOC吸附剂,也可填充到等离子体放电区域,与等离子体系统作用来促进VOC的处理效果。研究表明,硅胶的填入,虽然显著提高了等离子体处理VOC的能量效率,但同时也极大地诱导了二次副产物的生成。
5贵金属催化剂
在等离子体放电反应区存在的大量活性粒子及高能电子可激活贵金属催化剂,无需高温,这样不仅可以大大提高等离体处理VOC的能量效率,还在很大程度上有效控制了副产物的生成。初步分析机理认为是放电产生的臭氧O3与催化剂的协同效应。
6金属氧化物及其金属盐催化剂
在放电等离子体处理VOC的过程中,臭氧作为强活性氧化物质对VOC的氧化降解起着积极的作用,但若降解后最终排气的臭氧浓度过高,也将造成空气污染。MnO2能够加速O3向O2的转化,可以作为放电等离子体反应器的后处理来改善最终的排气品质,转化过程中生成的活性氧物种也可助力MnO2降解VOC,但不足之处在于一定程度上提高了毒性较大的CO副产物的生成。
7光催化剂
光催化剂如TiO2、TiO2-V2O5、WO3-TiO2等在光催化过程中能产生高活性氧化物(如光致空穴、羟基自由基等),将其填充在放电等离子体区,以放电过程产生的紫外光及大量活性物质(高能离子、O3等)驱动光催化剂的活性,就可以实现光降解和等离子体降解的协同作用。研究表明,光催化剂的填充强化了VOC的深度氧化,大大提高了最终产物CO2的选择性,同时NOx生成量较少。
8多性能颗粒/混合物
利用颗粒/混合物的吸附、催化、铁电性等多性能可能综合改善放电等离子体处理VOC的效果,其优势在于既可以由铁电性得到增强的局部电场,又可以由吸附作用增大VOC和活性物质的局部浓度,还可以由催化作用促进降解反应。可以采用VOC降解反应的最终产物COx(COx+CO2)的浓度和选择性作为评价处理效果的基本参数:COx浓度越高,意味着VOC的降解率越高;CO2选择性大,则说明VOC完全降解的比例大。
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