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低温等离子技术在废气治理领域的应用

2019-07-04 10:10:54

自从工业革命以来,由于化石燃料使用的与日俱增,尤其是燃煤电厂、工业锅炉、机动车等排放源排放的含SO2、NOx和VOCs(挥发性有机物)等废气,使大气环境日趋恶化。低温等离子体污染物综合治理工艺是20世纪70年代出现的一种烟气处理技术,具有流程短、能耗低、适用性强、可实现多种污染物同步脱除等特点,成为国内外研究的焦点之一。

一、低温等离子体技术概述

低温等离子体主要是由气体放电产生的。气体放电就是指通过某种机制使一个或几个电子从气体原子或分子中电离出来,使之形成电离气体。然后电离气体由外电场产生并形成传导电流(即气体放电现象),从而获得等离子体。放电方式有辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电、射频放电及微波放电等。

由于低温等离子体中存在着很多活性很高的粒子如电子、粒子、活性基团等,所以它的化学活性很高,而能跟许多难降解的污染物发生反应,使被处理的污染物得以转化或分解。低温等离子体的净化机理是使数万度的高能电子与气体原子或分子发生非弹性碰撞,从而使气体通过激发、离解和电离等一系列过程活化。

利用低温等离子体处理废气时,等离子体内部会发生各种类型的化学反应,这主要取决于电子的平均能量、电子密度、气体温度、污染物气体分子浓度及共存的气体成分等因素。一般说来,当电子能量<10eV时会产生活性自由基,被等离子体活化后的污染物分子经过等离子体定向链化学反应后被脱除;而当电子平均能量大于污染物分子化学键能时,污染物就会因为化学键的断裂而分解。

二、TSP和飘尘的处理应用

TSP即总悬浮颗粒物,是指粒径在100μm以下的颗粒物;而飘尘是粒径在10μm以下的悬浮颗粒物。这些悬浮颗粒物长期以气态和气溶胶状态存在于大气中,对人体的呼吸系统造成了很大的危害。

利用低温等离子体技术处理TSP和飘尘,一般是通过电晕放电产生低温等离子体,其中的电子和离子在有场强梯的作用下与废弃中的颗粒物相互碰撞并附在这些粒子上,使之成为荷电粒子。荷电粒子再在电场力的作用下向集尘极扩散,并在集尘极上沉积,从而达到除尘的目的。

三、工业废气中的脱硫、脱硝应用

工业废气中的硫氧化物和氮氧化物对环境的危害为严重。其中硫氧化物的主要成分是SO2,氮氧化物的主要成分是NO和NO2(统称为NOx)。

前者主要来自于煤和石油的燃烧,而后者主要来自于汽车尾气和内燃机排放的废气等。但现行的湿法脱硫、脱硝技术以及触媒还原法脱硫、脱硝技术等都具有成本高、工艺复杂、处理过后容易产生二次污染等特点。

20世纪80年代后期,日本提出利用高频脉冲放电产生的低温等离子体进行烟气脱硫和脱硝。这种技术是利用高压脉冲电源产生具有高能电子的等离子体来激活废气中的SO2和NOx,再加入NH3使之与被激活的气体分子发生反应,从而生成NH4SO4和NH4SO3。(NH4)2SO4和NH4NO3都可以作为农业上的肥料,所以该法具有成本低、反应速度快、处理彻底的优点,重要的是它能把废气中的SO2和NOx转化成肥料来加以应用,从而起到了化害为宝的作用。

四、温室气体的处理应用

大气中CO2是造成温室效应的主要原因,若工业生产过程中排放过量的CO2将会对环境不利。利用低温等离子体来处理工业废气能起到清除CO2等碳氧化物的作用,这是因为低温等离子体中具有活性很高的氧原子自由基(O),氧原子自由基能将废物中的CO氧化成CO2,然后进一步将CO2分解成C、O2,或将之与其它化合物合成醇、烃、醛、碳酸二甲酯、甲酸及其衍生物等。

现行的研究中,比较具有代表性的是鞍山静电技术研究所的技术。该种技术利用超高压脉冲电晕产生低温等离子体,由此而产生的等离子体的能量达到20-50eV。当这种等离子体作用在CO2分子上时,CO2气体分子的化学键断裂成C和O2,其分解率能达到90%。

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五、挥发性有机物VOCs的处理应用

挥发性有机物(VOCs)是一类有机化合物的统称,指室温下饱和蒸汽压超过70.91Pa或沸点小于260℃的有机物。大气中的VOCs主要有苯系物、有机氯化物、氟利昂、有机醛、有机酮等。

利用低温等离子体处理VOCs,就是使低温等离子体中的高能电子与VOCs分子产生一系列化学反应,从而将VOCs转化或降解为无害物质的方法。低温等离子体处理VOCs主要有电子束照射法、介质阻挡放电法、沿面放电法和电晕放电法等。

1 电子束放电法

电子束照射法是通过电子加速器(电子枪)产生高速高能的电子束,通过电离、激发等一系列自由基的反应,将有机物去除。电子束放电法能有效降解VOCs,其处理效率与污染物的初始浓度有机物分子组成结构、水蒸气含量和湿度等有关。

2 介质阻挡放电法

介质阻挡放电是将绝缘介质插入反应器的放电空间中,是一种高气压下的非平衡放电过程。常用的绝缘介质有陶瓷、玻璃和石英等,介质阻挡放电法是目前有效的产生等离子体的方法。其处理效率与温度、气压、水蒸气浓度、填充物和背景气体的性质等因素有关,介质放电反应器可在常压或高压下工作。

3 沿面放电法

沿面放电反应器的主体为结构致密的陶瓷(陶瓷管或陶瓷板),在陶瓷内部埋有金属板作为接地极,陶瓷一侧的沿面上布置导电条作为高压电极,另一侧作为反应器的散热面:在中高频电压的作用下,放电从放电极沿陶瓷沿面延伸,在陶瓷沿面形成许多细微的流注通道,进行放电,使气体被去除。

此法对于甲苯、丙酮、氯氟烃等有机废气具有良好的处理效果,适用于三氯甲烷等难降解有机物的处理工艺。但该技术的电源频率较高,达到千赫级,所以其能量效率并不高。

4电晕放电法

电晕放电是通过在曲率半径很小的电极上施加高电压,发生非均匀放电的一种放电形式。该法能在常温常压下进行,具有功率和能耗低的优点。电晕放电法多用于烟道气的脱硫和脱硝,去除空气中的 VOCs、H2S和卤代烃等,包括脉冲电晕放电、直流电晕放电和交流电晕放电。

六、恶臭净化中的处理应用

传统的恶臭净化方法有稀释法、燃烧法、洗涤法、吸附法和催化转化法等,这些方法都具有净化不够彻底、净化气体种类少、能耗高、操作要求高、易受杂质干扰等缺点。低温等离子体技术处理恶臭气体是近年来兴起的新的处理低浓度气态污染物的方法。

等离子体去除恶臭的原理主要有两个:

1、利用高能电子的瞬时高能量来打开有害气体分子的化学键,使之直接分解成单质原子或无害分子;

2、是在大量高能电子、离子、激发态粒子和自由基等活性粒子的作用下氧化分解。

一般来说,主要有三个过程:

1)在高能电子的作用下,产生强氧化性自由基如O、OH、HO2等;

2)有机物分子与高能电子发生非弹性碰撞,获取能量而进入激发态,进而化学键断裂,分解成小碎片基团和原子;

3)一步产生的强氧化性自由基O、OH、HO2等与激发原子、有机物分子、破碎基团、其它自由基等发生一系列反应,使有机物分子终被氧化降解为简单的CO、CO2、H2O。这一步的去除率高低与电子的能量高低及有机物分子化学键能的大小有关。

七、结语

利用等离子体技术处理废气是一种应用前景非常广阔的方法。它具有投资及运行费用低、处理效率高、适用范围广、无二次污染的优点。但是目前还有许多问题等待解决。影响该技术产业化的主要问题是:大功率、窄脉冲、长寿命的高压脉冲电源尚在研究之中:由于负载的特殊性,电源和反应器的有效匹配还没有有效解决:副产物收集中的粘结问题没有得到有效解决,能耗较高,随着问题的逐步解决,等离于技术这一热点研究科目将会为环境保护和污染控制带来更加光明的前景。
 
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