低溫等離子廢氣處理設備

我們知道了等離子清洗機產生的等離子體屬于低溫等離子體中的冷等離子范疇，那么低溫等離子體具有什么特征，在工業上又有哪些應用呢？

低溫等離子體在應用上具有兩個主要特征：與常規的物理、化學的其他方法相比，等離子體具有更高的溫度和能量密度；等離子體能夠產生活性成分，從而引發在常規化學反應中不能或難以實現的物理變化和化學反應。活性成分包括紫外和可見光子、電子、離子、自由基團等；高反應性的中性成分，如活性原子（O、F等）；受激原子態；活性分子碎片，如單體。

低溫等離子體放電產生具有化學特性的微粒，這個顯著的特點被廣泛應用于材料表面改性。與傳統的工藝相比較，等離子體技術應用的優點包括：

①不會改變基體固有性能，改性作用僅僅發生在表面，約幾到幾十個納米，如半導體納米蝕刻。

②全程干燥的處理方式（干式法），無需溶解劑和水，幾乎不產生污染，因而節約能源，降低成本。

③作用時間短，反應速率高，加工對象廣，能顯著提高產品質量。

④工藝簡單、操作方便，生產可控性強，產品一致性好。

⑤屬于健康型工藝，對操作人員身體無傷害。

由于有以上這些優點，低溫等離子技術被廣泛應用于諸多工業領域，而且越來越重要，尤其是低溫等離子材料表面處理技術在能源、物質與材料、環境、生化等多個行業起著關鍵作用。如圖所示

低溫等離子體技術是涉及表面物理化學、等離子體物理化學、反應工程學、放電技術、真空技術等領域的一門交叉學科。

低溫等離子廢氣處理設備

等離子體處理有機廢氣的典型工藝有脈沖電暈放電(PCR)治理技術、填充床式反應器(FPR)治理工藝、沿面放電和介質阻擋放電(DBD)治理工藝。工藝技術的核心是利用放電區域內產生的高能密度流光等離子體處理VOCs氣體。

早期Van Veldhuizen、Penetrant等研究認為這四種工藝在相同實驗條件下處理廢氣時具有幾乎相同的效果。但近年來的研究發現，對于不同的VOCs氣體,這幾種放電方式的凈化效率各有不同。Kim與 Futamura研究認為:在干燥條件下處理苯時，填充床式反應器(FPR)的治理效率但當有水蒸氣存在時，脈沖電暈放電技術治理效率。不同的廢氣處理技術都具備各自的技術特點。介質阻擋放電技術的優勢是可以增加介質與氣體間的接觸面積,增加自由基的生成效率，但缺點是接觸面間產生很大的場強，壓降較大，不能滿足大風量工業有機廢氣處理。高功率脈沖電暈工藝可在反應器內建立起較大的等離子區域，在保證反應器內流光橫貫高低壓極的情況下，單個反應器的直徑通常可達30~35cm,可有效降低反應器的壓降；并聯多個反應器可提高處理風量，從而提高對大風量工業廢氣處理的適應性。但是由于反應器尺寸過大，對于有機廢氣的治理效率不高。近年來，利用等離子體技術與其他工藝技術聯合治理VOCs成為該技術應用的新趨勢。相關的工藝技術應用簡介如下。

1.介質阻擋工藝

Anderson等采用介質阻擋反應器降解Ar/O背景氣下的苯乙烯，結果表明較高的反應器溫度有利于苯乙烯的氧化反應。 Tanthapanichakoon等研究的直流電暈反應器處理苯乙烯的情況表明在N背景下高濕度對處理效率有促進作用，而在空氣背景下則是抑制作用。章旭明比較了苯乙烯在正、負直流電暈下的凈化過程，實驗結果說明正電壓供電比負電壓供電的氧自由基產額要大很多，在任何濕度下正電暈的能耗都要低得多，證明采用正電暈流光等離子體具有較好的處理效率。上述研究大多選用各自的反應器或電源在不同的環境背景中對苯乙烯的降解能耗做實驗。由于實驗條件的不同，很難對不同反應器或電源之間的處理效果作出一致的結論。

2.交直流疊加電源系統凈化工藝

目前,應用于凈化室內空氣的等離子體廢氣的交直流疊加電源系統(AC/DC)處理裝置，僅限于處理氣量小于1000m/h的工業VOCs氣體。唐海玨等人在*先研制了低溫等離子體室內空氣凈化機，并應用在醫院病房、醫療儲藏室、辦公樓、賓館等場所。Mizuno等也開發了等離子體(氣速為2.5m/s)結合TiO光催化劑的室內污染控制技術，使細顆粒物的收集效率達到70%,甲醛去除率大于30%,臭氧的排放量小于0.1μL/L,系統壓降僅為1mmHO(lmmHO=9.80665Fa)。目前，在工業化廢氣治理過程中使用交直流疊加電源系統凈化工藝還需克服兩大技術困難：①研究開發更大規模的易于發生流光放電的電源，并降低一次投入成本；②二次污染問題,其中包括高效收集在降解過程中產生的氣相副產物(有機中間產物、O)及固相副產物(氣溶膠)。因此，該技術還有待于進一步放大試驗。

3.等離子體-催化劑協同工藝

在實際應用中，采用單一的等離子體技術凈化VOCs氣體存在能耗高和副產物難以控制的問題，而單獨采用催化氧化/還原技術又存在催化劑處理能力、催化劑使用濃度等條件的限制。將二者相結合，既可降低處理成本，又可以延長催化劑的使用壽命和提高凈化能力。相關的研究已發現等離子體催化技術可產生協同效果，能耗僅是單獨使用催化劑能耗的五分之一。有研究利用等離子體協同Ag/TiO催化劑填充反應器，研究其對苯及苯的衍生物凈化效果。發現其凈化效率明顯提高，且有機副產物的生成量明顯降低。在對苯的衍生物處理過程中，發現凈化效率不再受氣體停留時間的影響，僅與等離子體的能量密度有關；催化反應器中氣體動力學規律從均相反應一級動力學關系向非均相反應的零級動力學關系轉變,另有研究發現,在單獨使用AlO催化劑時，苯和甲苯的凈化效率分別為5%和24%,而采用等離子體協同AlO催化劑時的凈化效率可分別提高到52%和65%,說明等離子體-催化技術可以有效凈化VOCs氣體。

等離子體催化技術采用的反應器可以分為一段式和兩段式兩種,兩種反應器的結構與凈化機制各不相同。

在一段式等離子體催化反應器中，產生等離子體的電極位于外側,催化劑置于兩個電極之間。當電極放電時,等離子體在催化劑表面及內部孔隙結構中生成。通過改變電極的放電形式可以控制催化劑中等離子體的生成位置與傳播方式。而催化劑表面的物理化學性質，如比表面積、表面金屬含量等因素又可以影響等離子體放電的區域大小和強度。因此，在利用一段式等離子體催化反應器凈化VOCs氣體時，選擇具備特定物理化學性質的催化劑，同時控制電極的放電方式及強度對于提升VOCs氣體的凈化效率至關重要。一段式反應器協同作用明顯，有較高的凈化效率，是一種較為理想的工業廢氣治理技術，但一段式反應器催化劑失活問題較為突出，壽命較短。

相較一段式等離子體催化反應器，兩段式等離子體催化反應器一般采用先等離子體后催化的方式，結構相對比較簡單，VOCs氣體先通過等離子體技術進行凈化，殘余氣體及產生的副產物共同進入催化裝置，進行氧化還原反應。凈化機理相對比較單一。常用的催化劑有重金屬、過渡金屬、γ-AlO、SiO、TiO等物質及其所組成的復合催化劑。在兩段式體系中，催化劑的使用壽命較長，適用于室內空氣凈化，但催化劑段的溫度影響較為明顯，較低的反應溫度下，CO的選擇性較差，副產物較多，溫度過高會導致催化劑失活。

4.等離子體吸附吸收聯用工藝Yan等采用線筒式電暈放電凈化含硫惡臭氣體,研究結果表明：在僅采用電暈放電凈化該氣體時，以HS的凈化效率作為標準，當HS氣體凈化到90%時，電流放電的能量密度為10.8J/L，當在該系統中加人活性炭吸附裝置后，該能量密度下降至4.0J/L。活性炭可以吸附經等離子體處理的殘余廢氣及產生的副產物，使氣態污染物在活性炭表面富集并引發二次化學反應，顯著提高了凈化效率，并降低了副產物的排出。黃立維等在線筒式反應器壁鍍上Ca(OH)涂層，對鹵代烴凈化過程中產生的鹵酸、NOx等副產物具有較好的吸收作用。此外，有機氣體的氧化產物大多是醛或羧酸等液相溶解度相對較高的物質，采用等離子體與吸收劑相結合的方法是一種可行的凈化處理工藝。有研究利用等離子體對甲苯進行氧化，將生成的副產物進行堿液原位吸收，使等離子過程產生的O、HO等活性物質進入到液相中，增大了反應常數，并進一步氧化副產物,提高了活性物質的利用效率和有機氣體的凈化效率。