介质阻挡放电联合催化降解氯苯过程中二噁英的产生与控制

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氯苯目前广泛应用于工业生产,氯苯污染对人类健康和生态环境构成严重威胁。与普通挥发性有机物相比,氯苯的生物毒性大,在自然环境中难以生物降解。同时氯苯作为二噁英的前驱体,在降解过程中可能产生剧毒污染物二噁英,其中应用最为广泛的热催化技术降解氯苯被证明会产生二噁英,并且二噁英的合成的窗口温度在200-400℃。目前大量研究证明DBD也可以有效降解氯苯,并且DBD可以在较低的温度下获得活性粒子,反应温度在200℃以下,不在二噁英的合成窗口温度,因此二噁英产生的可能性较低。但是目前还没有研究证明DBD降解氯苯是否会产生二噁英,因此本文深入探究了这一问题。(1)本文进行了催化剂的比选实验,研究了介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,DBD)联合Fe,Co,Mn,Ce/γ-Al2O3四种催化剂对氯苯的降解效果,催化剂表征实验结果表明催化剂的还原性和酸度对氯苯的降解效果影响显著,而催化剂的结构特性对氯苯的降解影响有限。DBD联合催化剂显著提高了氯苯的去除率、矿化率、Cl选择性和能量效率,降低了尾气中的O3浓度。其中Co/γ-Al2O3具有最优的降解效果,在比输入能量为510 J/L时,去除率、矿化率、Cl选择性和能量效率分别为26.06%、25.52%、33.03%和2.41g/k Wh。(2)本文研究了DBD运行参数对氯苯降解效果的影响,采用响应面法(Response Surface Methodology,RSM)中心实验设计(Center Composite Design,CCD),研究了外加电压、流速、初始氯苯浓度三个DBD运行参数对氯苯降解性能的影响,并且验证了模型准确性,实测值与预测值的相对误差均小于5%,表明预测值与实验值吻合良好。最终结果表明,外加电压是影响矿化速率和臭氧生成浓度的最显著参数,而能量效率主要受氯苯初始浓度影响。(3)本文通过高分辨率气相色谱和高分辨率质谱分析首次证明了在DBD催化降解氯苯过程中会产生二噁英。以Co/γ-Al2O3为例,放电三小时后,催化剂表面并未检测到二噁英,而放电十小时的催化剂表面检测到了2,3,7,8-TCDF、1,2,3,4,6,7,8-HCDF和OCDD三种二噁英。再通过气相色谱质谱联用仪检测氯苯降解过程中产生的有机中间体,合理推测了氯苯在等离子体催化体系中可能的降解路径。通过检测到的有机中间体推测二噁英的形成机理,并以此提出二噁英的抑制方法。本文先探究了DBD联合催化降解氯苯的影响因素、影响规律及影响程度,再根据有机副产物以及二噁英的产生情况,推测氯苯的降解过程和二噁英生成的机制,以此来讨论等离子体降解氯苯的适用性与安全性,并分析二噁英的抑制方法。
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