脉冲介质阻挡放电降解三氯乙烯的研究

第46卷 第9期西 安 交 通 大 学 学 报 V ol.46 No.9 2012年9月 JOURNAL OF XI’AN JIAOTONG UNIVERSITY Sep. 2012DOI:脉冲介质阻挡放电降解三氯乙烯的研究刘红霞，刘云，李秀丽（西安交通大学环境科学与工程系，710049，西安）摘要：研究了不同操作条件下脉冲介质阻挡放电等离子体对三氯乙烯的降解效果，通过红外分析探讨了降解前后气体组分的反应历程。

结果表明：当载气为N2时，脉冲介质通过阻挡放电等离子体可实现三氯乙烯的有效降解，降解率随放电参数及气体流量的变化而变化，在保证体系能量效率最大的基础上可获得三氯乙烯降解的最佳处理条件，即输入电压25 V、脉冲频率500 Hz、脉冲占空比50%、放电间隙5 mm、气体流量300 mL/min；当载气中含O2时，三氯乙烯的降解率随输入电压的变化而变化，即输入电压小于25 V 时，三氯乙烯降解率随O2含量的增加而提高，输入电压大于25 V时，三氯乙烯降解率随O2含量的增加而下降。

三氯乙烯降解过程中会产生CHCl2COCl 、CCl3-CN或ClCH2CH2NH2，终产物中除含有HCl、CO2和CO外，还含有COCl2。

关键词：脉冲介质；放电等离子体；三氯乙烯；降解中图分类号：X5 文献标志码: A 文章编号：0253-987X(2012)09-0000-00Degradation of Trichloroethylene in a Rod-in-TubePulsed Dielectric Barrier Discharge ReactorLIU Hongxia, LIU Yun, LI Xiuli(Department of Environmental Science and Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)Abstract: The performance of a laboratory-scale pulsed dielectric barrier discharge (DBD) reactor for Trichloroethylene (TCE) degradation was studied. The reaction process of gas components before and after degradation was discussed by the infrared spectroscopy analysis. The experimental results show that when the background gas was pure N2, the pulsed DBD could effectively destroy TCE molecules, and the removal efficiency clearly depended on the discharge parameters and gas flux. From the maximum efficiency of energy utilization of the whole system, the process parameters for optimum removal of TCE were obtained, i.e., 25 V in the input voltage, 500 Hz in the pulse frequency, 50% in the pulse duty ratio, 300 ml/min in the gas flux of and 5 mm in the discharge gap width. When the carrier gas included O2, the removal efficiency of TCE increased with an increase in the O2 content at low input voltage (＜25 V) but decreased with an increase in the O2 content at high input voltage (＞25 V). CHCl2COCl, CCl3-CN or ClCH2CH2NH2 were produced during the degradation of TCE, and the final products contained COCl2 as well as HCl, CO2 and CO.Keywords: pulsed dielectric; discharge plasma; Trichloroethylene; degradation挥发性氯代烃是重要的化工原料和有机溶剂，大多是人工合成化合物，其中三氯乙烯（Trichloroethylene, TCE）应用最为广泛。

TCE是一种优良的溶剂和洗涤剂[1], 它通过挥发、废水排放、农药使用及含氯化合物的燃烧等进入环境，从而造成环境污染，影响人体健康。

TCE化学性质稳定、难以降解，其中氯原子对微生物具有毒性，因此大量TCE废气的排放使工业废气的治理难度增大。

传统的TCE废气处理方法主要有吸附、催化氧化、生物法等，但大都存在设备多、工艺繁、能耗大、二次污染严重等缺点[2-5]，因此安全、经济、高效的降解TCE废气已成为环境领域普遍关注的问题。

低温等离子体技术是近年来国际环境工程领域关注的一项新兴高级氧化技术，具有超强氧化能力，对有机物降解无选择性，操作条件宽、能耗低、无残留、规模和设备结构灵活、成本低，也是21世纪环境治理中的四大关键技术之一[6-8]，其中介质阻挡y2 西 安 交 通 大 学 学 报第46卷放电（DBD）等离子体应用最为广泛[9]。

但是，大量研究结果显示，在挥发性氯代烃的治理中，DBD 的降解率比较低[10-12]。

因此，如何有效提高DBD对挥发性氯代烃的降解率，已成为该技术应用中亟待解决的问题。

本文以模拟TCE气体为研究对象，从反应器的结构入手，在自行研制的具备后辉光区的同轴式脉冲DBD反应器中，通过改变放电参数、气体流量及背景气体组成，来考察TCE废气的降解效果。

具有后辉光区的DBD反应器容积增大，可置入较多的催化剂，且活性自由基相对浓度更高，并含有更多O3[13]，因此本研究可为后续提高催化剂与DBD相结合的协同降解效应提供有利条件。

1 实验部分1.1实验装置与方法实验装置如图1所示，其由样气产生系统、DBD 反应器、高压脉冲电源系统及产物检测系统组成。

高压脉冲电源系统包括等离子体电源（Corona Lab，CTP-2000K）、数字脉冲调制器（Corona Lab，PC-07）和调压器（浙江正泰电器股份有限公司生产，0׽220 V，TDGC2-1），输出功率连续可调，最高可达1000 W，最大峰值电压100 KV，脉冲电压上升前沿小于300 ns、宽度小于500 ns。

实验中反应器的峰值阻抗与脉冲电源输出特性阻抗比β趋近于1，即电源与反应器高度匹配。

自行研制的同轴式DBD反应器如图2所示。

反应室由长240 mm、内径20 mm、壁厚5 mm的刚玉管构成，放电区长120 mm。

外电极为刚玉管外包裹的不锈钢丝网，内电极为不锈钢棒, 直径有15、16、17、18 mm 4种，放电间隙可在2~5 mm 间调节。

放电产生的等离子体在管式反应器中沿一维方向向右端扩散，从而形成长120 mm的等离子体后辉光区。

图 1 实验流程图图 2 DBD等离子体反应器结构实验中以适量N2吹脱TCE（置于25℃恒温水浴中）产生蒸汽，再与一定量的N2、O2混合形成样气，当混合气进入缓冲瓶后引入DBD反应器进行降解实验。

N2、O2（梅赛尔北方工业气体有限公司生产）纯度（体积分数）均大于99.99%，流量由转子流量计（常州市科德热工仪表有限公司生产，LZB-3WB）控制。

反应前后TCE浓度采用VOC分析仪（MiniRAE 2000，PGM-7600）测定。

1.2 TCE降解实验实验在纯N2背景气下进行：通过改变各放电参数及气体流量，来考察DBD对TCE的降解效果，其中输入电压变化范围为0~220 V，脉冲频率10~1000 Hz，脉冲占空比1%~99%，气体流量200~450 mL/min；通过改变载气流中O2的含量，来研究背景气组成的变化对TCE降解效应的影响。

TCE降解率0tc ccη−=（1）式中：c0为初始的TCE浓度；c t为排放的TCE浓度。

实验中所用化学试剂均为分析纯。

1.3 TCE降解机理分析实验采用傅里叶红外光谱仪（Bruker Tensor-37，气池规格为100mm×25 mm) 测定降解前后的气体组分，探讨TCE降解反应历程。

实验开始时，先测定背景红外，待出气稳定后进行在线检测。

2 结果与讨论2.1放电参数对TCE降解率的影响2.1.1输入电压的影响当背景气体为N2时，输入电压对DBD降解TCE的影响如图3所示。

由图3看出：当输入电压小于20 V时，TCE几乎未被降解，因为放电电压与输入电压成正比，放电电压低于DBD起晕电压时，无放电产生；当输入电压大于20 V时，放电电压随输入电压的增加迅速增大，超过第9期 刘红霞，等：脉冲介质阻挡放电降解三氯乙烯的研究 y3起晕电压后放电产生并逐渐增强，大量的高能活性粒子（电子、离子、自由基等）生成，而这些粒子在反应区运动剧烈，使得TCE的降解率迅速提高；当输入电压为35 V时，TCE降解率可达98%。

此外，输入电压的升高，输入电流增大，输入功率逐渐增大，能耗随之增大。

由于输入电压超过25 V后，TCE的降解率上升趋势变缓，考虑到体系的能量效率，实验确定最佳输入电压为25 V。

2.1.2脉冲频率的影响脉冲频率对TCE降解率的影响如图4所示。

从图4看出，当脉冲频率增加到500 Hz时，TCE降解率缓慢上升至86%；当脉冲频率大于500 Hz时，降解率快速下降，至900 Hz时仅为6%。

由此可见，高频不利于TCE的降解。

这是因为，高频增强了带电粒子的振动，使带电粒子与污染物分子的碰撞作用减弱，从而使电子对污染物粒子作用的概率和强度减弱，降解率下降。

所以，实验确定DBD等离子体降解TCE的最佳脉冲频率为500 Hz。

图3 输入电压对TCE降解的影响2.1.3脉冲占空比的影响脉冲占空比对TCE降解率的影响如图5所示。

由图5可知，随着占空比的增加，输入功率增加，TCE降解率在占空比大于30%图4 脉冲频率对TCE降解的影响后亦快速增大。