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直流电晕放电诱导自由基簇射治理有机废气的实验研究

李明波  
【摘要】:挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,VOCs)的污染问题日益受到人们的关注与重视,人们不断研究探索更为经济有效的治理方法,期望实现对VOCs的有效治理。直流电晕诱导自由基簇射技术被认为是一项具有应用前景的新兴技术。 本文开展了直流电晕诱导自由基簇射技术处理VOCs的应用基础研究。自行建立了直流电晕诱导自由基簇射处理VOCs的实验装置,以此实验装置为基础,选取苯、甲苯为代表物质进行了相关的实验研究。 实验采用O_2和H_2O作为自由基源物质对苯进行了降解研究,重点考察了放电电压、废气浓度、废气湿度、废气温度、停留时间和电极气流量对苯脱除效率的影响。结果表明,有机废气中苯的浓度的降低有利于降解效率的提高,但能量利用效率下降;苯的降解效率随着其在反应器内的停留时间的延长而升高;放电电压的升高有利于降解效率的提高,但能耗也相应增大;含苯废气温度升高不利于苯的脱除;含苯废气的相对湿度(Relative Humidity,RH)为62%左右时苯的脱除效果较好。自由基源物质的流量与烟气流量之间的比例控制在1:8左右较合适。 考察了苯环上带侧链的有机物甲苯的降解情况,实验结果表明:在同样浓度和放电情况下,甲苯的降解效率大于苯。含甲苯废气的相对湿度控制在46%-64%范围附近时甲苯的脱除效果较好。电压以及放电功率等对甲苯降解情况的影响与对苯的影响类似。 为进一步提高有机废气的脱除效率,考察了Fenton-type反应对自由基簇射的强化作用。实验结果表明,在同样的能耗下,一定量的Fenton试剂的存在可以有效的提高甲苯的脱除效率。当Fenton试剂分别为Fe(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)、Co(Ⅱ),溶液浓度均为0.05mol/l时,甲苯的去除率分别提高了10.9%、24.3%、15.7%。 通过对反应产物的分析发现,降解产物主要为CO_2和H_2O。此外,还有一定量的O_3和少量的副产物NO_2生成。 建立了反应器动力学模型,得到污染物浓度C、氧化速率常数K_d和能量密度P/Q的关系如下:ln(c_1/c_2)=K_d·P/Q。甲苯和苯的氧化速率常数分别为0.2666和0.1398m~3·J~(-1),即K_d(甲苯)K_d(苯),在相同的放电情况下甲苯较苯更易于去除,为反应器进一步的优化、放大设计及与电源匹配提供了基础数据。 对有机物的降解机理进行了探讨。有机物的降解效果受其分子结构、化学键键能的大小等因素影响,其降解效率主要取决于自由基形成的难易,越容易形成自由基的有机物降解效率就越高。通过分析认为,采用O_2和H_2O作为自由基源物质对芳香烃降解可能的主要途径如下:


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