低温等离子体协同催化处理VOCs的研究进展

环境与发展

92 HUANJINGYUFAZHAN

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SHIYANYANJIU

低温等离子体协同催化处理VOCs 的研究进展

李倩，易红宏，唐晓龙，赵顺征，许佳丽，武佳敏

（北京科技大学能源与环境工程学院，北京 100083）

摘要：近年来，挥发性有机物（VOCs）作为大气污染的主要来源之一备受社会各界的关注，对于挥发性有机物的研究也在不断的深入。低温等离子体技术因其独特的优势在挥发性有机物的处理中具有很好的应用前景。本文概括了低温等离子体协同催化处理VOCs 的研究进展，包括低温等离子体的概况、低温等离子体协同催化的催化剂种类和耦合方式以及低温等离子体协同催化处理典型VOCs-甲苯的机理。关键词：VOCs;低温等离子体;催化;机理中图分类号：X131.2 文献标识码：A 文章编号：2095-672X(2019)03-0092-02

DOI:10.16647/15-1369/X.2019.03.053

Research progress of co-catalytic treatment of VOCs by low temperature plasma

Li Qian ,Yi Honghong,Tang Xiaolong,Zhao Shunzheng,Xu Jiali,Wu Jiamin

(School of Energy and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

Abstract:In recent years,volatile organic compounds (VOCs) have attracted much attention from all walks of life as a major source of air pollution, and research on volatile organic compounds has continued to deepen. Non-thermal plasma technology has a good application prospect in the treatment of volatile organic compounds due to its unique advantages. This paper summarizes the research progress of non-thermal plasma co-catalytic treatment of VOCs,including the general situation of non-thermal plasma, the type and coupling mode of non-thermal plasma synergistic catalysis, and the mechanism of co-catalytic treatment of typical VOCs by non-thermal plasma.

Key words: VOCs ；Non-thermal plasma ；Catalytic ；Mechanism

挥发性有机物（volatile organic compounds，VOCs）是大气污染的主要污染物之一，所含成分较多，同时也是城市光化学烟雾前体物，对人类生存环境具有很大的影响，同时也给人类的身体健康带来很多危害。在我国十三五规划纲要中对VOCs 治理有明确的要求，首先就是将VOCs 纳入总量控制指标，同时强化了国家及地方对VOCs 的控制，在重点区域、重点行业推进挥发性有机物排放总量控制，全国排放总量下降10%以上。

低温等离子体技术（NTP）研究范围涵盖了等离子体化学合成、等离子体材料合成与改性、等离子体在环境污染物处理及生物方面的应用等众多领域，同时工艺简单，产生较少的二次污染物，被认为是非常具有前景的空气污染控制技术，但采用低温等离子体处理VOCs，依然存在两个科学与技术的问题亟待解决：能耗问题与副产物问题。

1 低温等离子体

等离子体的主要组成成分有自由基、电子、离子、原子和分子等，被称为除气态、固态和液态以外第四种物质的存在形式。低温等离子体的部分气体分子和带电粒子在热力学上处于不平衡的状态，气体温度和离子温度远远低于电子温度，且其带电粒子的电子能量较低，一般在1-2eV 之间。

低温等离子体主要由气体放电法和高能电子束法等产生，目前使用较多的是气体放电法。根据放电方式的不同，气体放电法可进一步细分为介质阻挡放电(Dielectric barrier discharge，DBD）、电晕放电（Corona discharge ) 、滑动弧放电(Gliding arc discharge ) 、辉光放电(Glow discharge)和射频放电(Radio frequency discharge)等，其中目前在气体污染物控制领域研究较广的是电晕放电和介质阻挡放电[1-2]。

2 低温等离子体协同催化中的催化剂

低温等离子体协同催化在处理VOCs 的过程中有多种催化剂，主要有以下三类：贵金属催化剂、非贵金属催化剂和光催化剂。

目前常用的贵金属主要包括Pd ，Pt，Ag 和Au，常见的载体包括

TiO 2、γ-Al 2O 3和分子筛等。Tang 等人[3]在低温等离子体条件下协同Ag 2O/MnO 2催化剂来处理甲苯，当能量密度为60J/L 时，甲苯的去除率可达100%；用金属或非金属氧化物混合作为催化剂时，可显著提高降解效率，但对不同组分混合比例的把握是一个关键问题。

非贵金属催化剂的研究中，过渡金属以其良好的催化性能及相比于贵金属有较大的价格优势的特点而被人们广泛研究。鲁美娟采用浸渍法制备了两类催化剂（FeO/SBA-15和Mn x O y /SBA-15)，考察了在DBD 条件下对甲苯的降解性能，结果表明：等离子体协同这两种催化剂相比于单纯等离子体显著提高了甲苯的降解效率和矿化度，当Fe 和Mn 的负载量分别为3%和5%时，催化剂的催化性能最好。

光催化剂成分以TiO 2为代表，因其较低的能耗及易操作的特点受到国内外学者的青睐。Misook Kang 等在线－筒式反应器中填充负载了TiO 2的玻璃小球，研究了等离子体与光催化剂协同的作用下降解甲苯的效果。结果表明，在等离子体区域中，TiO 2负载于γ-A12O 3上时甲苯的降解率高达80%。

3 协同催化

在低温等离子体协同催化系统的一段式中，有两种不同的放电模式，一种是连续放电模式，一种是吸附放电模式。

连续放电模式是指含有VOCs 的气体连续不断的通入反应器中的催化剂，在催化剂所在的位置进行等离子体放电。而吸附放电模式是指含有VOCs 的气体通入反应器中，先进行吸附的过程，在这个过程中并不进行低温等离子体放电，直到催化剂吸附饱和、穿透，出口浓度约为初始浓度的10%，然后用干净空气代替含有VOCs 的气体连续不断的通入反应器，此时对反应器中的催化剂进行低温等离子体放电。评价指标：吸附量、穿透时间、转化率、矿化率、CO 2选择性、O 3浓度和能量效率。综合评价吸附催化一体化材料的吸附性能、催化性能、稳定性，以及分子特性及吸附性能与去除效果之间的关系。吸附放电可以大大缩短等离子体放电时间，降低能耗，并提高系统选择性。