强电离放电等离子体降解乙酸乙酯试验研究

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近年来,随着我国经济发展的日益迅速,工业化发展的日益加快,各类企业排放的有毒有害气体逐年增多,加速了生态环境的恶化。其中NOX,SOX和挥发性有机物(VOCs)作为典型的大气污染物,对我国的大气环境构成了严重的威胁。关于NOX和SOX的去除技术已经日渐成熟,而VOCs由于其种类复杂多样,且绝大多数VOCs具有一定的毒性,所以关于VOCs控制技术的研究具有十分重要的意义,也因此成为了我国“十三五”大气污染防治工作的重要组成部分。本文选取工业生产中典型的有机溶剂乙酸乙酯作为目标污染物,采用强电离放电低温等离子体技术对其进行试验研究。研究了反应器的放电特性,主要考察了包括特定输入能量(SIE)、放电频率、初始浓度、空速、湿度和温度等不同的影响因素对乙酸乙酯降解效率的影响规律。通过臭氧分析仪、CO/CO2测量仪和烟气分析仪对降解产物中的O3、NOX、CO和CO2产量随反应器能量密度变化规律进行了研究。利用TOC、GC和GC-MS等分析手段,对乙酸乙酯降解过程中产生的其他中间产物进行了分析和检测,并结合所测得的中间产物对乙酸乙酯降解的反应途径进行了探索和推测。试验研究可以得出以下结论:(1)反应器电流输出特点为并非纯电阻电路的表现,其数值会产生波动,变化较大。放电频率不变,特定输入能量随电压的升高而升高;电压和频率不变时,特定输入能量随着湿度增加而降低,随着温度增加而增加。乙酸乙酯的降解率在特定输入能量为40-100 J/L时上升很快,随着输入能量的值大于100 J/L时,开始变缓,并且最终的降解效率接近91%;能量产率在特定输入能量在100-110 J/L的范围内是达到最高。乙酸乙酯降解效率和放电频率并非简单的线性关系而是存在一个最佳匹配点,本实验得最佳放电频率为5.71 kHz。(2)保持电压不变,随着浓度增加,去除效率降低,不同浓度的最佳施加电压稍有不同,其最佳施加电压的大致范围为2.6-3.4 kV;随着空间速度从442 h-1增加到973 h-1,在任何施加的电压下乙酸乙酯的去除率都降低且空速对乙酸乙酯的影响作用在电压较低时更为明显。乙酸乙酯的降解率在相对湿度为20%时达到最大值;温度由20 ℃升到150 ℃时,各个特定输入能量下乙酸乙酯的降解效率均有不同程度的升高。(3)随着电压的升高,降解产物中的TOC含量逐渐减少,且下降趋势明显。当电压为3.2 kV时,反应产物中有机碳含量极少。且利用溶液吸收反应产物,其pH呈降低趋势,证明了反应产物中多数有机碳都转化成了CO2等无机碳,降解效果良好。气相色谱分析结果显示,电压在0.4、2.0、2.5、2.9和3.5kV时分解产物中的乙酸乙酯的峰面积下降趋势明显,进一步验证了强电离放电反应器对乙酸乙酯良好的降解性能。(4)O3产量随着特定输入能量的升高而升高,当特定输入能量大于120 J/L时,O3产量大于750mg/m3,证明了反应器良好的放电性能,产生的平均电子能量较高,化学反应效率高。反应器中检测到了少量的氮氧化物,但是其产量要低于工业最低排放标准(80 mg/m3)。反应的产物中除了CO2外,还有极少量的CO产生,但是CO2的选择性远远地大于CO,证明反应器不但对乙酸乙酯有着很高的降解效率,氧化程度也很彻底,大部分乙酸乙酯废气直接被氧化成CO2只有极少量的CO和其他不完全氧化产物。(5)通过GC-MS分析,测得反应的其他中间产物有:乙醇、甲酸和乙酸等。根据理论分析,再利用检测到的中间产物给出了可能的降解途径。
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