低温等离子废气处理设备

我们知道了等离子清洗机产生的等离子体属于低温等离子体中的冷等离子范畴，那么低温等离子体具有什么特征，在工业上又有哪些应用呢？

低温等离子体在应用上具有两个主要特征：与常规的物理、化学的其他方法相比，等离子体具有更高的温度和能量密度；等离子体能够产生活性成分，从而引发在常规化学反应中不能或难以实现的物理变化和化学反应。活性成分包括紫外和可见光子、电子、离子、自由基团等；高反应性的中性成分，如活性原子（O、F等）；受激原子态；活性分子碎片，如单体。

低温等离子体放电产生具有化学特性的微粒，这个显著的特点被广泛应用于材料表面改性。与传统的工艺相比较，等离子体技术应用的优点包括：

①不会改变基体固有性能，改性作用仅仅发生在表面，约几到几十个纳米，如半导体纳米蚀刻。

②全程干燥的处理方式（干式法），无需溶解剂和水，几乎不产生污染，因而节约能源，降低成本。

③作用时间短，反应速率高，加工对象广，能显著提高产品质量。

④工艺简单、操作方便，生产可控性强，产品一致性好。

⑤属于健康型工艺，对操作人员身体无伤害。

由于有以上这些优点，低温等离子技术被广泛应用于诸多工业领域，而且越来越重要，尤其是低温等离子材料表面处理技术在能源、物质与材料、环境、生化等多个行业起着关键作用。如图所示

低温等离子体技术是涉及表面物理化学、等离子体物理化学、反应工程学、放电技术、真空技术等领域的一门交叉学科。

低温等离子废气处理设备

等离子体处理有机废气的典型工艺有脉冲电晕放电(PCR)治理技术、填充床式反应器(FPR)治理工艺、沿面放电和介质阻挡放电(DBD)治理工艺。工艺技术的核心是利用放电区域内产生的高能密度流光等离子体处理VOCs气体。

早期Van Veldhuizen、Penetrant等研究认为这四种工艺在相同实验条件下处理废气时具有几乎相同的效果。但近年来的研究发现，对于不同的VOCs气体,这几种放电方式的净化效率各有不同。Kim与 Futamura研究认为:在干燥条件下处理苯时，填充床式反应器(FPR)的治理效率但当有水蒸气存在时，脉冲电晕放电技术治理效率。不同的废气处理技术都具备各自的技术特点。介质阻挡放电技术的优势是可以增加介质与气体间的接触面积,增加自由基的生成效率，但缺点是接触面间产生很大的场强，压降较大，不能满足大风量工业有机废气处理。高功率脉冲电晕工艺可在反应器内建立起较大的等离子区域，在保证反应器内流光横贯高低压极的情况下，单个反应器的直径通常可达30~35cm,可有效降低反应器的压降；并联多个反应器可提高处理风量，从而提高对大风量工业废气处理的适应性。但是由于反应器尺寸过大，对于有机废气的治理效率不高。近年来，利用等离子体技术与其他工艺技术联合治理VOCs成为该技术应用的新趋势。相关的工艺技术应用简介如下。

1.介质阻挡工艺

Anderson等采用介质阻挡反应器降解Ar/O背景气下的苯乙烯，结果表明较高的反应器温度有利于苯乙烯的氧化反应。 Tanthapanichakoon等研究的直流电晕反应器处理苯乙烯的情况表明在N背景下高湿度对处理效率有促进作用，而在空气背景下则是抑制作用。章旭明比较了苯乙烯在正、负直流电晕下的净化过程，实验结果说明正电压供电比负电压供电的氧自由基产额要大很多，在任何湿度下正电晕的能耗都要低得多，证明采用正电晕流光等离子体具有较好的处理效率。上述研究大多选用各自的反应器或电源在不同的环境背景中对苯乙烯的降解能耗做实验。由于实验条件的不同，很难对不同反应器或电源之间的处理效果作出一致的结论。

2.交直流叠加电源系统净化工艺

目前,应用于净化室内空气的等离子体废气的交直流叠加电源系统(AC/DC)处理装置，仅限于处理气量小于1000m/h的工业VOCs气体。唐海珏等人在*先研制了低温等离子体室内空气净化机，并应用在医院病房、医疗储藏室、办公楼、宾馆等场所。Mizuno等也开发了等离子体(气速为2.5m/s)结合TiO光催化剂的室内污染控制技术，使细颗粒物的收集效率达到70%,甲醛去除率大于30%,臭氧的排放量小于0.1μL/L,系统压降仅为1mmHO(lmmHO=9.80665Fa)。目前，在工业化废气治理过程中使用交直流叠加电源系统净化工艺还需克服两大技术困难：①研究开发更大规模的易于发生流光放电的电源，并降低一次投入成本；②二次污染问题,其中包括高效收集在降解过程中产生的气相副产物(有机中间产物、O)及固相副产物(气溶胶)。因此，该技术还有待于进一步放大试验。

3.等离子体-催化剂协同工艺

在实际应用中，采用单一的等离子体技术净化VOCs气体存在能耗高和副产物难以控制的问题，而单独采用催化氧化/还原技术又存在催化剂处理能力、催化剂使用浓度等条件的限制。将二者相结合，既可降低处理成本，又可以延长催化剂的使用寿命和提高净化能力。相关的研究已发现等离子体催化技术可产生协同效果，能耗仅是单独使用催化剂能耗的五分之一。有研究利用等离子体协同Ag/TiO催化剂填充反应器，研究其对苯及苯的衍生物净化效果。发现其净化效率明显提高，且有机副产物的生成量明显降低。在对苯的衍生物处理过程中，发现净化效率不再受气体停留时间的影响，仅与等离子体的能量密度有关；催化反应器中气体动力学规律从均相反应一级动力学关系向非均相反应的零级动力学关系转变,另有研究发现,在单独使用AlO催化剂时，苯和甲苯的净化效率分别为5%和24%,而采用等离子体协同AlO催化剂时的净化效率可分别提高到52%和65%,说明等离子体-催化技术可以有效净化VOCs气体。

等离子体催化技术采用的反应器可以分为一段式和两段式两种,两种反应器的结构与净化机制各不相同。

在一段式等离子体催化反应器中，产生等离子体的电极位于外侧,催化剂置于两个电极之间。当电极放电时,等离子体在催化剂表面及内部孔隙结构中生成。通过改变电极的放电形式可以控制催化剂中等离子体的生成位置与传播方式。而催化剂表面的物理化学性质，如比表面积、表面金属含量等因素又可以影响等离子体放电的区域大小和强度。因此，在利用一段式等离子体催化反应器净化VOCs气体时，选择具备特定物理化学性质的催化剂，同时控制电极的放电方式及强度对于提升VOCs气体的净化效率至关重要。一段式反应器协同作用明显，有较高的净化效率，是一种较为理想的工业废气治理技术，但一段式反应器催化剂失活问题较为突出，寿命较短。

相较一段式等离子体催化反应器，两段式等离子体催化反应器一般采用先等离子体后催化的方式，结构相对比较简单，VOCs气体先通过等离子体技术进行净化，残余气体及产生的副产物共同进入催化装置，进行氧化还原反应。净化机理相对比较单一。常用的催化剂有重金属、过渡金属、γ-AlO、SiO、TiO等物质及其所组成的复合催化剂。在两段式体系中，催化剂的使用寿命较长，适用于室内空气净化，但催化剂段的温度影响较为明显，较低的反应温度下，CO的选择性较差，副产物较多，温度过高会导致催化剂失活。

4.等离子体吸附吸收联用工艺Yan等采用线筒式电晕放电净化含硫恶臭气体,研究结果表明：在仅采用电晕放电净化该气体时，以HS的净化效率作为标准，当HS气体净化到90%时，电流放电的能量密度为10.8J/L，当在该系统中加人活性炭吸附装置后，该能量密度下降至4.0J/L。活性炭可以吸附经等离子体处理的残余废气及产生的副产物，使气态污染物在活性炭表面富集并引发二次化学反应，显著提高了净化效率，并降低了副产物的排出。黄立维等在线筒式反应器壁镀上Ca(OH)涂层，对卤代烃净化过程中产生的卤酸、NOx等副产物具有较好的吸收作用。此外，有机气体的氧化产物大多是醛或羧酸等液相溶解度相对较高的物质，采用等离子体与吸收剂相结合的方法是一种可行的净化处理工艺。有研究利用等离子体对甲苯进行氧化，将生成的副产物进行碱液原位吸收，使等离子过程产生的O、HO等活性物质进入到液相中，增大了反应常数，并进一步氧化副产物,提高了活性物质的利用效率和有机气体的净化效率。