1、等離子體凈化處理實(shí)驗(yàn)室有機(jī)廢氣的研究,江蘇大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院 依成武,高校實(shí)驗(yàn)室有機(jī)廢氣的濃度,國(guó)內(nèi)外有機(jī)廢氣治理技術(shù)的研究進(jìn)展,等離子體治理有機(jī)廢氣的基本原理,強(qiáng)電離放電降解甲醛實(shí)驗(yàn)流程圖,對(duì)甲醛凈化效率有影響的幾種因素,強(qiáng)電離放電降解苯實(shí)驗(yàn),使用氣相色譜分析中間產(chǎn)物及甲醛處理效率,等離子處理有機(jī)氣體的展望,前言,前言,在大氣污染物質(zhì)體系中，氣態(tài)有機(jī)污染物占很大部分，這些帶有異味(臭或香)的氣態(tài)污染物會(huì)嚴(yán)重干擾居民的日常生活，惡化人們的生存環(huán)境。 在近年來(lái)我國(guó)教育飛速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室數(shù)量增加，以及日益嚴(yán)重的大氣污染的大環(huán)境下，實(shí)驗(yàn)室排放的有機(jī)廢氣對(duì)環(huán)境的危害非常大，嚴(yán)重影響人們的健康，因此引

2、起了人們的關(guān)注。 在眾多揮發(fā)性氣體中，甲醛和苯的危害居于前兩位，在實(shí)驗(yàn)室有機(jī)廢氣中也最為常見(jiàn)。本次PPT將以甲醛和苯作為主要探討對(duì)象，使用等離子體技術(shù)來(lái)凈化這兩種有機(jī)廢氣。,返回,高校實(shí)驗(yàn)室有機(jī)廢氣的濃度,隨著高等學(xué)校辦學(xué)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模也隨之?dāng)U大，數(shù)目增多、功能更加齊全、實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新和增加、可開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的凋整與增多、科研團(tuán)隊(duì)的不斷壯大、學(xué)生人數(shù)的增加、學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)間的延長(zhǎng)以及實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放力度的不斷加大，因此實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)著更加繁重的教學(xué)和科研任務(wù)。而許多學(xué)科實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)及研究大多要用到化學(xué)分析方法，實(shí)驗(yàn)材料的使用所引發(fā)“三廢”環(huán)境污染問(wèn)題已到了不容忽視的地步。,返回,以下僅以

3、江蘇大學(xué)數(shù)間較易產(chǎn)生有機(jī)廢氣的實(shí)驗(yàn)室如醫(yī)學(xué)院解剖實(shí)驗(yàn)室，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，環(huán)境工程大氣實(shí)驗(yàn)室為例證，對(duì)排放的氣體進(jìn)行定性及含量分析。,返回,在江蘇大學(xué)醫(yī)學(xué)院解剖實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)櫥的排放口，經(jīng)一個(gè)月不間斷的測(cè)量得知解剖實(shí)驗(yàn)室排放的甲醛濃度50ppm-230 ppm之間。 材料與化學(xué)化工綜合實(shí)驗(yàn)室及基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室排放的污染物種類繁多，經(jīng)過(guò)收集到的氣樣進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)排放的有機(jī)廢氣主要由苯 （21-250 ppm），甲醛（30-500 ppm），二甲苯（ 3-170 ppm）組成。 環(huán)境工程大氣實(shí)驗(yàn)室排放甲醛的濃度7-210ppm，苯的濃度范圍為10-230ppm。,返回,與之相對(duì)應(yīng)的我國(guó)各類場(chǎng)所空氣中甲醛濃度的

4、限量,返回,通過(guò)對(duì)這些實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，我們不難發(fā)現(xiàn)，高校實(shí)驗(yàn)室排放的有機(jī)廢氣濃度較高，且排放量較大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，不加治理隨意排放會(huì)對(duì)學(xué)生、老師和周圍居民的身體健康產(chǎn)生很大的威脅。對(duì)實(shí)驗(yàn)室排放有機(jī)廢氣的凈化勢(shì)在必行。,返回,國(guó)內(nèi)外有機(jī)廢氣治理技術(shù)的研究進(jìn)展,總體來(lái)說(shuō)有機(jī)廢氣處理分為回收法與消除法兩類 回收法是通過(guò)物理方法,在一定溫度、壓力下,用選擇性吸附劑和選擇性滲透膜等方法來(lái)分離揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs) ,主要包括活性碳吸附、變壓吸附、冷凝法和生物膜法等 消除法是通過(guò)化學(xué)或生物反應(yīng),用光、熱、催化劑和微生物等將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳,主要包括熱氧化、催化燃燒、生物氧化、電暈法、等離子體

5、分解法、光分解法等。,返回,去除甲醛和苯方法眾多，而本次PPT將采用等離子體反應(yīng)器，利用強(qiáng)電離放電產(chǎn)生的羥基自由基，使實(shí)驗(yàn)室排放的甲醛和苯廢氣降解成無(wú)害無(wú)毒氣體。,返回,等離子體技術(shù)處理有機(jī)廢氣的原理為在外加電場(chǎng)的作用下，介質(zhì)放電產(chǎn)生的大量攜能電子轟擊污染物分子，使其電離，解離和激發(fā)，然后便引發(fā)了一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)，使復(fù)雜大分子污染物轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單小分子安全物質(zhì)，或使有毒有害物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)毒無(wú)害或低毒低害物質(zhì)，從而使污染物得以降解去除。等離子體技術(shù)降解有機(jī)氣體不需要外加吸收劑或催化劑，只與強(qiáng)電離放電中產(chǎn)生的OH反應(yīng)生成CO2和H2O，實(shí)現(xiàn)無(wú)污染化。在強(qiáng)電離放電中，OH的濃度對(duì)有機(jī)廢氣的降解作

6、用十分重要。,等離子體治理有機(jī)廢氣的基本原理,返回,等離子體分解破壞揮發(fā)性有機(jī)污染物的兩種途徑如下 （1）高能級(jí)電子直接作用于污染物分子： e + 污染物分子 各種碎片分子 （2）高能級(jí)電子間接作用于污染物分子： e +O2 (N2,H20) 2O(N,N*,OH) +污染物分子 中性分子,返回,在外加電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生的大量羥基及其他活性自由基,如圖所示，H2O分子和O2分子在強(qiáng)電場(chǎng)中受到高速電子(電子平均能Te 13eV) 強(qiáng)烈地激勵(lì)后產(chǎn)生大量的OH、HO2、O3 、HO2、O3OH、O3、HO3、O2、OH 、H2O2 等活性粒子。生成羥基的等離子體反應(yīng)過(guò)程是極復(fù)雜的連鎖反應(yīng),等離子體中

7、HO2-同O3 反應(yīng)生成OH;另一條反應(yīng)過(guò)程是從產(chǎn)生OH再經(jīng)由與O3 OH、HO2、O2、O3、HO3等反應(yīng)后再度生成OH的連鎖反應(yīng)系。,羥基等離子體反應(yīng)過(guò)程,返回,產(chǎn)生羥基自由基(OH)的方法主要是強(qiáng)電離放電。而羥基自由基具有以下特點(diǎn)。 羥基自由基具有極強(qiáng)的氧化性能,羥基自由基是強(qiáng)氧化劑( E0 = + 2. 80V) ,與氟(F2)的氧化能力( E0 =+ 2. 87V) 基本相當(dāng)。 羥基參與的化學(xué)反應(yīng)是屬于游離基反應(yīng),所以它的化學(xué)反應(yīng)速度極快。 剩余羥基最終生成物是O2 、H2O。,返回,綜上所述，采用強(qiáng)電場(chǎng)電離放電極端物理方法，可以把H2O、O2電離后按羥基分子結(jié)構(gòu)直接加工出高濃度大產(chǎn)

8、量的羥基自由基?？梢杂行У陌芽蓳]發(fā)性有機(jī)污染物VOCs最終降解為CO2、H2O等無(wú)害物質(zhì)。,返回,強(qiáng)電離放電降解甲醛實(shí)驗(yàn)流程圖,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,實(shí)驗(yàn)結(jié)果及總結(jié),實(shí)驗(yàn)采用強(qiáng)電離放電方式，主要從外加電壓、初始濃度、氣體流量、停留時(shí)間來(lái)進(jìn)行甲醛氣體和苯氣體的凈化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)還采用氣相色譜儀分析苯與甲醛的凈化效率。 外加電壓、初始濃度、氣體流量、停留時(shí)間對(duì)降解苯氣體效率的影響同樣重要。,外加電壓對(duì)甲醛凈化效率的影響,表4.1 外加電壓對(duì)凈化效率影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) Table4.1 The experimental data of effect of applied voltage

9、on degradation efficiency,返回,返回,甲醛初始濃度對(duì)凈化效率的影響,表4.2 甲醛初始濃度對(duì)凈化效率影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) Table4.2 The experimental data of effect of formaldehyde primary concentration,返回,返回,氣體流量對(duì)凈化甲醛效率的影響,返回,返回,氣體停留時(shí)間對(duì)甲醛凈化效率的影響,返回,返回,使用氣相色譜分析中間產(chǎn)物及甲醛處理效率,先利用恒流采樣器采樣等離子體反應(yīng)器反應(yīng)之前和反應(yīng)之后的煙氣吸收到乙醚溶液中，并利用進(jìn)樣針取1m溶液進(jìn)到氣相色譜儀進(jìn)行分析。圖中可以看到，甲醛氣體的出峰時(shí)間為5.

10、864min。從出峰情況看，凈化后的氣體進(jìn)行GS分析后發(fā)現(xiàn)無(wú)其他有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生并可以看到甲醛氣體的凈化效率可達(dá)到90%以上。,返回,強(qiáng)電離降解甲醛實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在強(qiáng)電離放電降解甲醛實(shí)驗(yàn)中，影響實(shí)驗(yàn)的因素很多，如電壓、流量、初始濃度、濕度等。通過(guò)數(shù)值分析得出，電壓對(duì)降解效率的影響最大，流量次之，初始濃度最弱。在電壓為3.4kV，流量為0.4 m3/h時(shí)，處理效率最高。,返回,強(qiáng)電離降解苯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,返回,外加電壓對(duì)苯凈化效率的影響,返回,返回,初始濃度對(duì)苯凈化效率的影響,返回,返回,氣體流量對(duì)苯凈化效率的影響,返回,返回,停留時(shí)間對(duì)苯凈化效率的影響,返回,返回,利用氣相色譜儀分析苯的處理效率,圖中峰1

11、是載氣氮?dú)猓?是苯。由圖可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)等離子體凈化后，苯的凈化效率很好，在經(jīng)過(guò)等離子體的凈化，苯的去除率達(dá)到85%以上，并且無(wú)其他物質(zhì)產(chǎn)生。,返回,強(qiáng)電離降解苯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在對(duì)苯進(jìn)行處理的過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)考慮了電壓、流量、初始濃度等影響因素，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)苯的凈化影響因素跟甲醛相似，在這些條件中，電壓、流量的影響依舊比較大，而初始濃度的影響相對(duì)較小。在電壓為3.4kV，流量為0.4 m3/h時(shí)，處理效率最高。因此在今后有機(jī)廢氣的處理中應(yīng)著重這些因素的研究 。,返回,強(qiáng)電離降解甲醛和苯的實(shí)驗(yàn)總結(jié),低溫等離子體法可以在常溫、常壓下實(shí)現(xiàn)對(duì)甲醛和苯污染物的去除，從機(jī)理上分析其最終產(chǎn)物為CO、CO

12、2和H2O，無(wú)其他中間產(chǎn)物。 甲醛和苯的去除率隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大，隨著氣體流速的增大而減小。隨濃度增加去除率降低。 在考慮處理效率和能源利用倆方面上，可以得出苯和甲醛最佳工藝條件為氣體流速0.4m3/h，電場(chǎng)強(qiáng)度E=3.4 kV/cm時(shí)，甲醛去除率為91，苯去除率為86.6。,返回,通過(guò)對(duì)相同條件下甲醛和苯的去除效果對(duì)比可知，甲醛比苯更容易去除。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為3.4kV/cm，氣體流量從0.4L/s提高到0.6L/s時(shí),甲醛的去除率降低5.5，而苯的去除率卻降低了10.1。其主要原因是因?yàn)楸降姆肿恿枯^大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，相對(duì)于甲醛，不容易去除。 實(shí)驗(yàn)中廢氣在反應(yīng)器中的流速不高，最高流速為1.2L/S，不利于工業(yè)化。工業(yè)有機(jī)廢氣產(chǎn)生量很大、種類復(fù)雜、流速很高。因此，探討在大氣量高流速情況下污染物的最佳去除工藝是下一步研究工作的方向。,返回,等離子體技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)與日常生活中已得到極為