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《浙江大学》 2011年
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低温等离子体净化处理挥发性有机气体技术研究

章旭明  
【摘要】:我国有机挥发物(VOCs)的排放量与地区的工业发展程度呈现出一定的正相关性。2008年我国的年排放总值约为2000万吨,其中包括浙江省在内有7个省的年排放总量超过100万吨。在未来的几年,伴随GDP增长将保持在7-9%的高水平,对有机化工产品的需求将更迫切,VOCs造成的污染也必将更为严重。传统治理技术在处理大风量、低浓度VOCs时费用过高,开发新型的技术势在必行。低温等离子技术具有可同时处理多种VOCs的优势,但要实现深度净化处理仍遇到能耗高和副产物难以控制的双重困难。本文针对低温等离子体技术净化处理VOCs在实际应用中的技术难点及相应亟需解决的关键科学问题,研究了VOCs净化反应引发机理、降解过程,副产物的成因和收集技术基础。 首先在新建的闭循环实验平台上比较了苯乙烯在正、负直流电晕下的净化过程,旨在研究相同实验条件下不同供电方式的VOCs处理效果。实验结果显示负电晕的伏安特性曲线受湿度和苯乙烯含量干扰较小。当臭氧产量约为80 ppm时,正、负电晕所需的能量密度分别为约38 J/L和200 J/L。对于负电压供电来说,当能量密度为约280 J/L时,在相对湿度20%和72%的空气中放电,臭氧的产生量分别为121 ppm和50 ppm;对于正高压供电来说,当能量密度为约40 J/L时,在相对湿度19%和72%的空气中放电,臭氧的产生量分别为106 ppm和12 ppm。苯乙烯的处理效率在67%附近时,苯乙醛副产物开始影响其净化效果。傅立叶红外光谱和气相色谱的测量结果显示,空气放电降解苯乙烯的产物主要有苯甲醛、苯乙醛、二氧化碳、一氧化碳和N2O。 接着在闭循环实验平台上研究了新型AC/DC供电系统的放电特性,VOCs净化效果、途径等问题。实验结果显示AC/DC电源的峰值功率和能量传输效率分别可以达到53.6 kW和87.3%,两者均与并联电容有密切关系。当等离子体能量密度在37 J/L时,苯乙烯的处理效率在并联电容值Ca=0 nF和Ca=3.86 nF的情况下分别为约95%和74%。当能量密度在42 J/L时,苯乙烯的处理效率在重复频率f=30 pps和f=120 pps的情况下分别为约93%和83%。苯和甲苯的净化过程在任何湿度下均为一级反应动力学,苯乙烯的处理在高、低湿度下分别为一级反应和零级反应动力学。在不同的气体成分中,臭氧的产量顺序依次为空气苯甲苯苯乙烯。苯乙烯的净化过程主要是由苯环外的C=C键与O和OH自由基的反应引发的;甲苯的净化过程同时涉及到苯环的开环反应和环外-CH3的氧化反应;而苯的净化主要由苯环的开环反应引起。苯乙烯、苯和甲苯的净化过程均与氧气竞争O自由基,使得臭氧的产生量下降。苯乙烯在秒量级的净化过程中大量消耗臭氧,而苯和甲苯几乎不消耗臭氧。无机产物N2O、CO和CO2的产量均随着能量密度的增加而增多。 最后研究了固相副产物气溶胶的形成和收集过程。产生的气溶胶粒径主要分布在28-384 nm之间。当能量密度在27-32J/L时,苯乙烯净化过程得到的气溶胶个数浓度约9×105#/cm3,这个值是苯和甲苯净化过程的3-4倍。在成核和初步成长过后,饱和荷电的气溶胶在等离子体系统中的主要行为是静电收集。傅立叶红外谱图显示沉积在低压极板的气溶胶含有-COH和-COOH官能团。在处理苯乙烯时,得到粒径28 nm,55 nm,93 nm和157 nm处的气溶胶收率分别为4×105#/(cm3·ppm),1.1×105#/(cm3·ppm),5×104#/(cm3·ppm)和1×104#/(cm3·ppm)。两段式等离子体系统中,在AC/DC放电功率确定的情况下相对分级收集效率的高低取决于ESP本身的气溶胶产量。最佳的收集效率出现在157 nm处,约75%。采用凝并器可以进一步提高ESP的性能。最佳工况下,粒径在28 nm和264 nm处的相对分级收集效率分别可提升16%和21%。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:X513

【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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【同被引文献】
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6 金文俊;低温等离子体对PTT纤维的改性研究[D];苏州大学;2010年
7 马琳;低温等离子体协同光催化技术处理甲苯和硫化氢的实验研究[D];北京工业大学;2013年
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10 廖晓斌;低温等离子体—催化净化有机废气反应自由基及机理研究[D];华南理工大学;2010年
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