线-筒式脉冲高压电晕放电降解四氯乙烯/间二甲苯混合污染物

那刚,李锻,2,吴彦,2,李杰,2,鲁娜,2

(1大连理工大学环境与生命学院,辽宁大连 116024;2大连理工大学静电与特种电源研究所,辽宁大连 116024)

线-筒式脉冲高压电晕放电降解四氯乙烯/间二甲苯混合污染物

那刚1,李锻1,2,吴彦1,2,李杰1,2,鲁娜1,2

(1大连理工大学环境与生命学院,辽宁大连 116024;2大连理工大学静电与特种电源研究所,辽宁大连 116024)

为了研究混合挥发性有机化合物(vo latile organic compounds,VOCs)和单一VOC的降解特性,将气态四氯乙烯/间二甲苯混合物引入线-筒式放电反应器,利用脉冲高压进行降解实验.结果表明:电压28.6 kV时,混合物中四氯乙烯和间二甲苯的降解率比初始体积分数各为0.02%的2种单一物质分别降低33.0%和22.7%,与初始体积分数各为0.04%的2种单一物质相比,混合后四氯乙烯的降解率降低38.3%,而间二甲苯的降解率增加18.6%;混合物中间二甲苯的存在,改变了四氯乙烯的降解趋势;四氯乙烯比间二甲苯易矿化.

混合VOCs去除;脉冲高压;碳氧化物选择性

目前,低温等离子体法在气态污染物净化方面的研究较为活跃.工业有机废气往往是多种有机污染物的混合体,成分复杂.因此模拟多种混合气态VOCs,对其进行降解研究具有重要实用价值.李锻等[1]利用交流介质阻挡(dielectric barrier discharge,DBD)反应器实现了对2种混合VOCs的降解.W ang等[2]利用双极性脉冲DBD反应器实现了4种混合VOCs的降解,说明低温等离子法在处理混合有机污染物方面表现出很好的应用前景.本研究选取工业生产中重要的污染物四氯乙烯/间二甲苯进行模拟,考察了污染物间的相互影响.

1 实验装置及测试方法

1.1 实验系统的建立

采用鼓泡法制备模拟废气,将总流量设为0.5 L/min,把一定浓度的四氯乙烯/间二甲苯混合气体引入线-筒式反应器,反应器放电长度为42 cm,筒内径为3.2 cm,不锈钢高压线直径为0.5 mm.反应器由50 Hz正脉冲高压电源供电,放电前后的目标气体浓度用气相色谱仪(SRI-8610C)检测.

1.2 CO2和CO选择性的测定

本实验尾气中的CO2和CO通过气相色谱仪(SRI 8610C)结合甲烷转化炉进行检测,色谱柱为1 m的Hayesep-D填充柱,检测器为氢火焰检测器.

CO2和CO选择性的计算公式为

式中:S(CO2)——CO2选择性;S(CO)——CO选择性(%);φ(CO2)——尾气中CO2的体积分数(%);φ(CO)——尾气中CO的体积分数(%);φ0——VOC初始体积分数(%);φ1——尾气中VOC体积分数(%);ni——VOC中C原子数.

2 实验结果与讨论

2.1 混合VOCs与单一VOC降解效果的对比

混合VOCs和单一VOC的降解特性见表1.将2种污染物初始体积分数各为0.02%时定为单一组分A,各为0.04%时定为单一组分B,混合组分的2种污染物初始体积分数各为0.02%.

表1 混合物与单一物质降解效果对比Tab.1 Com parison of the degradation between them ixture and single substance

对比混合组分与单一组分A降解效果发现,混合后四氯乙烯和间二甲苯的最大降解率分别降低33.0%和22.7%,但对应的能量效率分别增大0.6 g/(kWh)和1.3 g/(kW h).对比混合组分与单一组分B发现,混合后四氯乙烯的最大降解率降低38.3%,对应的能量效率减小3.1 g/(kW h),而间二甲苯的最大降解率增加18.6%,对应的能量效率增大1.0 g/(kW h),因此2种物质混合后降解率变化各不相同.并且,电压由23.3 kV增大到28.6kV时,混合物中间二甲苯的降解率均比四氯乙烯高,说明间二甲苯较易降解.

2.2 间二甲苯初始体积分数对混合VOCs降解率的影响

为了深入研究混合VOCs间的影响,考察了间二甲苯的初始体积分数对混合VOCs的影响,结果见图1.

图1 间二甲苯初始体积分数对VOCs降解率的影响Fig.1 Influence of 1,3-xylene initial volume fraction on VOCs removal efficiencies

当间二甲苯初始体积分数由0.01%增加到0.08%时,从图1 a可知,电压为27.8 kV时,间二甲苯降解率由79.80%减小到28.37%;由图1 b可知,与间二甲苯单独降解规律相似,电压为28.1 kV时,混合物中间二甲苯的降解率降低了34.05%,而随着间二甲苯体积分数的增加,四氯乙烯降解率呈下降趋势(图1 c).由图1 a和图1 b可知,四氯乙烯的存在没有改变间二甲苯降解率随初始体积分数增加而减小的趋势.

2.3 四氯乙烯初始体积分数对混合VOCs降解率的影响

为了更好地研究混合物间的影响,考察了四氯乙烯初始体积分数对混合VOCs的影响,结果见图2.

图2 四氯乙烯初始体积分数对VOCs降解率的影响Fig.2 Influence of tetrachloroethylene initial volume fraction on VOCs removal efficiencies

当四氯乙烯的初始体积分数由0.009%增大到0.08%时,由图2 a可知,电压为29.8 kV时,四氯乙烯的降解率由66.53%增大到93.84%,Oda等[3]研究表明,等离子体降解三氯乙烯时产生的中间产物对三氯乙烯的降解有促进作用,四氯乙烯的中间产物可能对其也有促进作用;但电压为25.6 kV时,由于等离子体能量减少了,四氯乙烯的降解率先增大后降低.由图2 b和图2 c可知,随着四氯乙烯体积分数的增加,

29.8 kV时,混合物中四氯乙烯和间二甲苯的降解率分别减少31.31%和34.11%;对比图1 a,图2 a和图2 b发现,间二甲苯的存在改变了四氯乙烯降解率随初始体积分数增大而增大的趋势.

2.4 混合VOCs与单一VOC碳平衡对比

为了进一步研究混合气体的降解特性,考察了混合VOCs的碳氧化物选择特性,结果见表2.

表2 混合物与单一物质碳氧化物选择性对比Tab.2 Difference of the carbon oxides selectivity between the m ixture and single substance

由表2可知,单一组分中,四氯乙烯的(CO+CO2)选择性比间二甲苯的大,说明四氯乙烯更易矿化.当电压为28.6 kV时,单一组分B中间二甲苯和四氯乙烯的(CO+CO2)选择性比单一组分A的分别降低23.03%和40.7%,说明增加污染物初始体积分数不利于碳氧化物的生成;对比混合组分与单一组分发现,混合物中CO选择性比单一组分A中间二甲苯和四氯乙烯的分别低2.7%和21.8%,CO2选择性分别低4.5%和39.5%;但混合组分的(CO+CO2)选择性比单一组分B中的间二甲苯大15.83%,比四氯乙烯的小20.6%.污染物混合后碳氧化物的生成量发生改变,降低了污染物的矿化程度.

3 结论

1)混合VOCs中,电压为28.6 kV时,四氯乙烯和间二甲苯的降解率比初始体积分数为0.02%的2种单一物质分别降低33.0%和22.7%,但能量效率增大0.6 g/(kWh)和1.3 g/(kW h);与初始体积分数为0.04%的2种单一物质相比,混合后四氯乙烯的降解率降低38.3%,而间二甲苯的降解率增加18.6%;

2)混合物中,间二甲苯的降解率均比四氯乙烯的大,间二甲苯的存在,改变了四氯乙烯的降解趋势;

3)四氯乙烯比间二甲苯易矿化,污染物混合后,碳氧化物的生成量发生改变.

[1]李锻,王洪昌,张娣,等.用无声放电同时降解气态混合污染物四氯乙烯/间二甲苯[J].河北大学学报:自然科学版,2007,27(6):615-619.

[2]WANG Hongchang,L IDuan,WU Yan,et al.Removal of four kinds of volatile organic compoundsm ixture in air using silent discharge reacto r d riven by bipolar pulsed pow er[J].Journal of Electrostatics,2009,67:547-553.

[3]ODA T,TAKAHAHSH I T,YAMAJI K.Nonthermal p lasma p rocessing fo r dilute VOCs decomposition[J].IEEE Transactions on Industry App lications,2002,38(3):873-878.

(责任编辑:赵藏赏)

Decomposition of Tetrachloroethylene and 1,3-xylene M ixture in a W ire-tube Pulsed Corona Reactor

NA Gang1,LIDuan1,2,WU Yan1,2,LIJie1,2,LU Na1,2
(1.School of Environmental and Biological Science and Technology,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China;2.Institute of Electrostatic and Special Power,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

A w ire-tube reactor initiated by pulsed high voltage was used to remove the vo latile o rganic compounds(VOCs)mixtu re of tetrachlo roethylene and 1,3-xylene to investigate the characteristics of their degradation.The results indicated that at the pulse vo ltage of 28.6 kV,the degradation efficienciesof tetrachlo roethylene and 1,3-xylene in mix ture were 33.0%and 22.7%lower than that in single po llutant w ith initial volume percentage of 0.02%,respectively.A s compared w ith the single pollutant w ith initial volume percentage of 0.04%,the degradation efficiency of tetrachlo roethylene in mixture decreased by 38.3%,w hile there was an increase of 18.6%fo r 1,3-xylene degradation.The p resence of 1,3-xylene in mixture impacted the degradation characteristicsof tetrachlo roethylene.The mineralization of tetrachloroethylene wasm uch easier than that of 1,3-xylene.

mixed VOCs removal;pulse high voltage;carbon oxides selectivity

X 511

A

1000-1565(2010)05-0534-04

2010-04-20

国家自然科学基金资助项目(50678031)

那刚(1984—),男,黑龙江七台河人,大连理工大学在读硕士研究生,主要从事大气污染对策技术的研究.

李锻(1960—),男,辽宁大连人,大连理工大学副教授,主要从事大气污染对策技术的研究.