采用强电离放电法降解苯的研究

吴宗坤 黄玉梁 曾楚凯 王吉杰

摘 要：为去除有机废气中对环境毒害较大的苯，现试采用强电离放电产生低温等离子体的方法对含苯的模拟烟气进行降解，研究了苯的初始质量浓度、等离子体反应器给电电压与气体流量3个因素对苯降解率的影响效果。实验结果表明：随着苯初始质量浓度的增加，苯分子与活性分子的碰撞概率增大，但发生降解反应的概率减小，当初始质量浓度大于550 mg/m3时，苯降解率过低；在等离子体反应器可承受的4 kV电压内，苯的降解率随电压的增大而增大；随着气体流量的增加，苯的降解率逐渐减小。反应过程中，存在其他有机气体的产生，苯的降解率在55%左右，主要产物为CO2与H2O，在无催化剂与其他条件下，强电离放电法直接降解苯的降解率并不高。

关键词：强电离放电；降解苯；有机废气

基金项目：江苏大学2018年大学生实践创新训练计划项目（201810299361W）

苯是碳氢化合物中一种最简单的芳烃，在常温下无色，难溶于水，挥发性大，在空气中扩散性较强，并伴随强烈的芳香味道。苯已经被世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单列为一类致癌物。近些年来，工业的迅速发展导致空气中苯系物的质量浓度较高，在大中城市尤为突出，大部分苯系物质量浓度超过30 μg/L，有的甚至高达301 μg/L，严重干扰居民日常生活，危害人类体质健康。强电离放电处理有机废气技术有着处理效果好、可操作性高、大多数气体可直接降解为CO2和H2O、无二次污染的优点，具有广泛的应用前景，因此，可尝试采用强电离放电法进行苯的降解研究。本研究采用强电离放电法降解空气中低浓度的苯，重点在于实验条件对降解率的影响，探究技术可行性，为商用提供有价值的理论与数据支撑[1-3]。

1 降解机理

在强电离放电反应器中，通过施加高压电压，产生大量低温等离子体，产生的等离子体均带电能量10 eV以上，当通入一定量的苯气体后，气体分子可在短时间吸收能量，在放电通道内产生大量的电子和活性粒子，将苯进行分解，使污染物转化为简单小分子无污染物质，从而使污染物得到降解去除。

苯分子由于受到高能电子的撞击，可由基态分子活化为激发态分子，苯分子的大π键能为615～696 kJ/mol，吸收大量能量可发生断裂，产生自由基并发生一系列反应，最后与羟基自由基可反应生成CO2与H2O。

2 实验方法

2.1 实验装置

整个实验装置由气体发生系统、管路系统、等离子体反应系统、尾气检测系统、辅助系统5个部分组成。以少量氮气吹脱含苯水溶液，与另一路的空气在混合器中充分混合，形成由空气、水蒸气与苯气体三者按比例混合而成的实验用模拟烟气。实验使用的等离子体反应系统是强电离放电等离子体反应器，其反应容积为100 mm×190 mm×2 mm，放电间隙为1 mm，反应器采用轴流风机散热，并配备管路加热装置，以防气体在管壁凝结。

2.2 测量方法

采用美国VOCs测试仪测量反应前后的苯含量，通过Q3-V型电压表控制反应器的外加电压并直接读取数据，气体流量由装置上的气体转子流量计的刻度直接读出[4-5]。

3 实验结果与数据处理

3.1 苯初始质量浓度C0对降解率η的影响

分别取700、900、1 200、1 600、1 800 mg/m3的模拟烟气，将等离子体反应器外加电压U0调整为3 kV，气体流量Q调整为0.3 m3/h，测定此条件下苯的降解率，绘制图像如图1所示。可以看出，随着苯初始质量浓度C0的增加，降解率η在一定范围内会减小。当初始烟气量为1 800 mg/m3时，降解率仅为45%。说明在等离子体反应器外加电压恒定时，模拟烟气的初始质量浓度C0对苯的降解率η有一定的影响，降解率η随初始质量浓度C0的增加而呈现下降趋势。虽然苯初始质量浓度增加，在反应器外加电压不变，即对反应器注入的能量不变的情况下，活性粒子数目不足以与苯发生碰撞，故苯分子与活性粒子碰撞、反应的概率反而是减小的，导致处理效率下降。

3.2 气体流量Q对降解率η的影响

先取苯初始质量浓度为650～700 mg/m3范围内的模拟烟气，外加电压U0调整为3 kV，调节气体转子流量计的开关，取不同流量进行数据记录与对比，绘制图像如图2所示。当气体流量Q越来越大时，降解率η呈现一个波动值，保持在43%～56%，当气体流量为1.5 m3/h时，降解率只有43%，在一定范围内，处理效率随着气体流速增加而增加，但当气体流量大于0.9 m3/h时，降解率呈现下降趋势。这说明在苯的处理中存在一个最佳的流量范围，即0.8～0.9 m3/h，为找到最佳实验条件提供了依据[6-7]。

3.3 等离子体反应器外加电压U0对降解率η的影响

取含苯初始质量浓度为650～700 mg/m3范围内的模拟烟气，将气体流量Q通过气体转子流量计阀门调整为0.9 m3/h左右，分别在1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0 kV条件下进行实验，则外加电压U0对降解率η的影响如图3所示。当U0=1 kV时，降解率η仅为20%；当U0=4 kV时，降解率η可以达到60%，当电压介于1.5～3.0 kV时，降解率随电压升高而显著增加，而随着电压的进一步升高，降解率呈缓慢上升的趋势。随着外加电压U0的逐渐升高，电子可以获得更多的能量，传递给周围的粒子生成更多的羟基自由基，与苯分子碰撞的概率增加，因此，降解率η越来越高。所以，可以通过提高外加电压U0来提升对苯的降解率，但外加电压U0也不应过高，电压最大值应在等离子体反应器可承受的范围内，且不应长时间处于最大电压值，以免产生的电流过大，将反应器中的极板击穿，造成实验装置的损坏，发生实验事故[8]。

4 结语

（1）在本实验中，强电离放电低温等离子法在没有添加催化剂的情况下，可在常温常压下有效去除55%的苯，最终产物为CO2和H2O，无二次污染。苯的分子质量较大，结构稳定，所以，为实现苯的高效去除，可考虑与其他方法联用的技术，以进一步提高苯的降解率。

（2）在对苯的处理过程中，考虑了苯初始质量浓度、气体流量、外加电压对强电离放电降解苯的影响，其中，气体流量与外加电压对苯的降解影响较大。实验发现，在气体流量为0.9 m3/h、电压为4 kV时，苯的降解率最高。

（3）实验表明，苯的降解率随初始质量浓度增加而下降；随着外加电压的增加而增加，在1.5～3.0 kV，苯的降解率随电压增加而显著增加，超过3 kV，则处理效率上升幅度趋于平缓；在一定范围内随气流流量增加而增加，超过0.9 m3/h则呈现下降的趋势。

[参考文献]

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