DBD催化氧化吸附态甲苯的反应动力学实验研究

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挥发性有机物(VOCs)是大气污染的重要组成部分,会危害环境及人体健康。介质阻挡放电(DBD)是吸附存储-等离子体催化氧化VOCs最常用的方式之一,具有放电均匀、工艺稳定、能量效率高、选择性高等优点。DBD催化氧化吸附态VOCs的反应动力学研究对于运行参数的合理选择及反应器的放大都是至关重要的,是推进该技术工业化应用的关键,目前鲜有报道。为系统深入地进行反应动力学的研究,本文选取甲苯为研究对象,考察催化剂(载体种类、混合比例、活性组分)、运行参数(放电电压、初始吸附量、放电时间)对NTP联合催化降解吸附态甲苯的影响,建立NTP联合催化降解吸附态甲苯的动力学模型。首先,本文考察了载体种类以及混合比例对NTP联合催化降解吸附态甲苯的影响。相同条件下,13X-Al载体的吸附穿透量较大,矿化率(62%)及CO2选择性(90%)较高,生成的副产物O3和N2O均最少。综合考虑载体的吸附性能和氧化性能,1:4(13X:γ-Al2O3)为13X-Al的最佳混合比。此外,采用响应面法优化NTP联合13X-Al(质量比为1:4)降解吸附态甲苯的运行参数,得到各变量交互影响的变化特点,全面优化了降解过程中的运行参数。其次,本文考察了催化剂活性组分、放电电压、初始吸附量对NTP联合催化降解吸附态甲苯的影响。采用等体积浸渍法制得催化剂M/13X(M:Ag、Fe、Cu、Co),用BET、XRD、SEM、H2-TPR、FT-IR等手段对其进行表征。与其它催化剂相比,Ag/13X-Al的吸附性能(吸附穿透量8.56 mg·g-1)与氧化性能(矿化率68%,CO2产率64%)均最佳,这主要是由于其较大的BET比表面积、较好的氧化还原性以及Ag与甲苯、CO可以形成π络合键。以Ag/13X-Al为催化剂,随着放电电压的增大和初始吸附量的降低,矿化率和CO2产率增大,有利于吸附态甲苯的氧化。最后,本文通过对上述影响因素的分析研究建立了NTP联合催化降解吸附态甲苯的动力学模型。采用经典动力学分析方法,得到反应均符合拟二级动力学模型(k·t=1/n-1/n0),催化剂载体种类、混合比例、活性组分的不同会影响总反应速率常数k的大小。以Ag/13X-Al为催化剂,考察总反应速率常数k与放电功率P及初始吸附量n0之间的定量关系,将NTP联合催化降解吸附态甲苯的动力学模型表示为:0.0009n0-2.402·P·t=1/n-1/n0,并进一步验证了模型的可靠性。该模型的建立为运行参数的合理选择以及反应器的放大研究提供了理论指导依据。
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