线－筒式电晕反应器去除二硫化碳废气研究

黄立维，何联候，金 圣

（浙江工业大学 生物与环境工程学院，浙江 杭州 310032）

线－筒式电晕反应器去除二硫化碳废气研究

黄立维，何联候，金 圣

（浙江工业大学 生物与环境工程学院，浙江 杭州 310032）

采用线－筒式电晕反应器对二硫化碳（CS2）废气的去除效果进行了实验研究.实验考察了峰值电压、载气成分和水汽含量等因素对去除率的影响.结果表明：CS2在氩气中的去除效果要好于在氮气中的去除效果，其主要降解产物均为单质硫.在氩气中添加20%的氧气后，CS2的最高去除率从44.9%提高到了63.4%，添加50%的水汽后从44.9%提高到了56.4%.CS2在氩气和氧气混合气中的最终降解产物为CO，CO2，COS和SO2.

脉冲电晕；二硫化碳；分解

二硫化碳（CS2）作为一种常见的有机溶剂和化工原料，工业上主要应用于生产粘胶纤维、玻璃纸、四氯化碳、农药和橡胶硫化过程等.针对生产过程中产生的CS2废气，传统的处理方法包括冷凝法、吸附法和化学吸收法等［1－3］.但对于大气量、低浓度CS2废气的处理，尚未有经济有效的方法.脉冲电晕技术作为一种新的有发展前景的废气治理技术之一［4－5］，其基本原理是通过前沿陡峭、脉宽窄（纳秒级）的高压脉冲电晕放电，能在常温、常压下产生大量高能电子和O、OH等活性粒子，将污染物氧化降解，最终达到无害化目的.黄立维等［6］利用线－筒式脉冲电晕处理低浓度甲苯废气，甲苯的去除率达到81%.另外在恶臭气体处理中，李战国等［7］通过脉冲电晕技术治理硫化氢废气，硫化氢的净化率接近100%.

本实验采用线－筒式电晕反应器处理CS2模拟废气，探讨脉冲电晕法去除CS2废气的效果，考察了脉冲电晕在不同载气成分、氧气体积分数和水汽体积分数等条件下降解CS2的效果，为工业化应用提供基础数据.

1 实验部分

1.1 实验流程

实验流程如图1所示，氮气或氩气与氧气分别通过减压阀和流量计后，其中氮气或氩气分成两路，一路通过装有CS2液体的吹脱瓶吹脱，另一路则直接通入缓冲瓶，再与氧气混合形成模拟废气.气体流量通过流量计来调节，反应前后气体采用环己烷溶剂通过活芯气体采样管吸收，经紫外分光度计测定吸光度来计算去除率.实验在室温下进行.

图1 实验流程示意图Fig.1 Schematic diagram of the experiment process

1.2 实验装置

1.2.1 高压脉冲电源

实验中采用储能电容通过旋转火花间隙RSG向负载泄放方式产生脉冲高压，具有上升沿陡峭、脉宽窄的特点，可使能量有效地注入反应器，且电源自身能耗较小.其主要技术性能如下：输出极性为正，输出电压0～60 k V连续可调，输入电压为交流电（220±22）V，频率在0～200 Hz内连续可调，脉冲宽度≤500 ns，前沿上升时间≤100 ns.

1.2.2 线－筒式电晕反应器

本实验采用的线－筒式反应器如图2所示，圆筒材料为耐热玻璃管，内径38 mm，内壁衬有0.3 mm厚的铝箔作为接地极，电晕线为直径φ0.8 mm的不锈钢丝，放电有效长度为100 mm.反应器有效容积为113 mL.

1.3 分析方法

利用CS2极易和环己烷混溶的特点，以环已烷作吸收液吸收CS2，用紫外分光光度计（上海精科，UV759）测定其在波长320 nm处的吸光度［8］.本实验以该方法为基础进行分析，采用二级吸收做试验，发现一级吸收已达到实验要求，且实验在室温10℃以下进行，挥发性对测定的准确性影响较小，可用于实验分析.

图2 线－筒式电晕反应器示意图Fig.2 Schematic diagram of wire-in-tube pulsed corona reactor

取采样管装入10 mL环己烷吸收液，采集气体1 min.将采样后的液体转入10 mL具塞比色管中，先用环己烷补足10 mL后摇匀，然后与标准系列在320 nm波长下测定吸光度定量，按下式计算废气中CS2的质量浓度：

式中：C为CS2质量浓度，mg／m3；m为样品中CS2含量，μg；V为气体采样体积，L.

反应产物采用傅立叶红外光谱仪分析（AVATAR370，Nicolet）.CS2的去除率定义为

式中：Ci为反应前气体的质量浓度，mg／m3；Co为反应后气体的质量浓度，mg／m3.

2 实验结果及分析

2.1 CS2在不同载气中的去除效果

分别以氮气和氩气为载气，保持气体总流量为300 mL／min，CS2初始质量浓度为110 mg／m3，脉冲频率70 Hz，考察峰值电压与去除率的关系，实验结果如图3所示.

图3 CS2在不同载气中的去除率Fig.3 Removal of CS2 in different gases

由图3可知：当峰值电压从12.5 k V上升到20 k V时，CS2在氮气中的去除率从5.8%提高到32.5%.这是因为随着峰值电压的提高，电极间的电场强度增强，电晕放电所产生的高能电子、自由基等活性粒子也急剧增加的缘故.相比于在氮气中的去除率，CS2在氩气中的去除率明显增大，最高去除率从32.5%提高到44.9%.这一方面氩气是单原子分子，而氮气是双原子分子，部分能量被消耗在氮气的振动自由度上；另一方面氩气的存在使放电过程发生了潘宁电离产生Ar＊离子，提高了气体的汤生第一电离系数（α值），从而一定程度上减小了起晕和击穿电压，放电更容易形成［9］.

反应后检查反应器铝箔内壁，均发现有淡黄色粉末产生，经测定为单质硫.在氮气中的反应机理和氩气中的反应机理［10］如下：

2.2 氧气对CS2去除率的影响

以氩气80%和氧气20%混和气为背景气，保持气体总流量300 mL／min，CS2初始质量浓度110 mg／m3，脉冲频率70 Hz，考察峰值电压与CS2去除率的关系，结果如图4所示.

图4 CS2在氩气和氧气混合气中的去除率Fig.4 Removal of CS2 in the mixture of Ar gas and O2 gas

由图4可知：CS2在氩气和氧气的混合气中去除率较纯氩气下从44.9%（图3）提高到了63.4%.在常温下，电晕等离子体中的高能电子和氧自由基与有机物的反应过程类似于燃烧过程.当添加氧气时，会产生O（3P）和O（2D）活性氧原子等强氧化性物质，能将CS2氧化.

对CS2模拟废气电晕处理前后的气体成分进行傅立叶红外分析.CS2在氩气和氧气中降解前后的产物分别如图5，6所示.

对比图5，6可知：产物主要包括CO2，CO，COS和SO2，可能的过程［11］为

从图6中可看出COS峰面积较大，可判断其在产物中所占比例较大，说明反应式（5）为主反应，主要是因为反应中含有20%的氧气.另外，SO2的峰面积大于CO2，这主要是由于加入了氧气，促进了反应式（9，10）的进行，即SO跟 O2反应，进而生成SO2.

2.3 水汽对CS2去除率的影响

以氩气为背景气，保持气体总流量300 mL／min，初始质量浓度110 mg／m3，脉冲频率70 Hz，气体通过鼓泡增湿进入反应器，加湿后气流中的湿度约为50%.考察峰值电压与CS2去除率的关系如图7所示.

图7 CS2在氩气和水汽混合气中的去除率Fig.7 Removal of CS2 in the mixture Ar gas and H2 Ov apor

由图7可以看出：CS2的去除率比没有添加水汽时从44.9%（图3）提高到了56.4%，这是因为H2O与高能电子发生碰撞，产生OH等具有强氧化性的自由基，将CS2氧化降解.

尾气先经过无水氯化钙干燥再通入红外分析，降解产物如图8所示.

图8 CS2在氩气和水汽中降解产物FT-IR谱图Fig.8 FT-IR spectrum of the products from CS2 decomposition in Ar gas and H2 O gas

对比图5，8发现产物主要包括CO，CO2，COS和SO2，可能的过程［12］为

从图8可知：其中CO2和COS所占比例较大，主要是由于添加水汽后，水分子电离产生了强氧化性自由基OH，OH与CS2的反应以式（12，13）为主.

对于反应过程中产生的二次污染物，可进一步结合吸收法进行处理，已有相关文献［13］报道该法可有效去除有害产物，并提高去除率.

3 结 论

采用线－筒式电晕反应器对CS2废气进行去除的实验表明：气体在不同载气中的去除率不同，在载气中添加氧气和水汽均能提高去除率.在气体总流量300 mL／min，初始质量浓度110 mg／m3，峰值电压20 k V，脉冲频率70 Hz的条件下，CS2在氩气中的去除效果较氮气中的去除效果从32.5%提高到了44.9%，主要降解产物均为单质硫.当氩气中添加20%的氧气时，CS2去除率从44.9%提高到了63.4%；添加50%的水汽时，则从44.9%提高到了56.4%.通过FT-IR对CS2在氩气和氧气混合气中的气相产物进行分析，发现主要降解产物为CO，CO2，COS和SO2.

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Removal of carbon disulfide by a wire-in-tube pulse corona reactor

HUANG Li-wei，HE Lian-hou，JIN Sheng
（College of Biological and Environmental Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310032，China）

The removal of CS2in a wire-in-tube pulsed corona reactor was experimentally investigated.The influences of operation parameters such as pulse voltage，gas composition and water vapor content on the removal of CS2were investigated.Results showed that the removal of CS2in Ar gas was more desirable than that in N2gas.The main product was confirmed to be elemental sulfur.The removal of CS2increased from 44.9%to 63.4%with the addition of 20%O2in Ar gas，and from 44.9%to 56.4%with the addition of 50%water vapor in the gas stream.It was found that the main gaseous products of CS2decomposition with the addition of O2in Ar gas were CO，CO2，COS and SO2.

pulsed corona；carbon disulfide；decomposition

X701

A

1006-4303（2013）02-0161-04

2012-02-20

黄立维（1964—），男，浙江慈溪人，教授，博士，研究方向为大气污染控制，E-mail：hlw＠zjut.edu.cn.

（

陈石平）