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【中國(guó)環(huán)保在線 技術(shù)前沿】等離子體技術(shù)用于VOCs治理模式開始興起，本文詳細(xì)介紹了低溫等離子技術(shù)降解VOCs的原理，低溫等離子體存在的問題，低溫等離子體技術(shù)降解VOCs的改進(jìn)措施?？傮w而言，等離子技術(shù)有望克服眼前的缺陷，在不久的將來投入大規(guī)模應(yīng)用。
低溫等離子降解VOCs 新型技術(shù)有望大規(guī)模應(yīng)用
VOCs，也稱揮發(fā)性有機(jī)化合物，已知的有300多種，包括非甲烷總烴、苯系物、揮發(fā)性鹵代烴、醇類、醚類、脂類、酚類、脂肪酸(醛、酮)、小分子聚合物、可聚合物、硫醇類、胺類等。VOCs治理技術(shù)包括回收利用技術(shù)和銷毀技術(shù)，其中傳統(tǒng)技術(shù)有冷凝技術(shù)、吸附技術(shù)、吸收技術(shù)、熱力焚燒法、催化燃燒法和生物降解法，新型技術(shù)包括膜分離技術(shù)、等離子體法、光解氧化法和光催化氧化法。
新型技術(shù)中，對(duì)高濃度、易回收、有回收價(jià)值的VOCs氣體采用膜分離技術(shù)，但對(duì)于低濃度、沒有回收價(jià)值的VOCs采用等離子體技術(shù)、光解氧化技術(shù)和光催化氧化技術(shù)將其分解為小分子、二氧化碳和水。等離子體技術(shù)是新型技術(shù)中的一種，現(xiàn)在把等離子體降解VOCs的原理、存在的問題及改進(jìn)措施介紹如下：
1、低溫等離子技術(shù)降解VOCs的原理
低溫等離子體技術(shù)降解各種污染物的基本原理如下：
在外加強(qiáng)電場(chǎng)作用下，通過放電介質(zhì)，電子從電場(chǎng)獲得能量產(chǎn)生高能電子；大量的被電子激發(fā)的攜能電子不斷地、快速地轟擊、撕裂污染物分子，污染物分子在這樣的條件下，發(fā)生電離、解離和激發(fā)等作用，從而成為活性基團(tuán)；這些活性基團(tuán)與分子或原子、活性基團(tuán)與活性基團(tuán)之間相互碰撞，會(huì)引起污染物分子發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)、物理反應(yīng)；這些反應(yīng)使較復(fù)雜的、長(zhǎng)鏈的污染物大分子撕裂成為簡(jiǎn)單、安全的小分子物質(zhì)，達(dá)到了轉(zhuǎn)變有毒有害物質(zhì)為低毒低害、低毒無害、無毒無害的安全物質(zhì)，從而去除、降解污染物。能量傳遞過程如圖1所示：
因其電離電子后平均產(chǎn)生的能量在10eV左右，在嚴(yán)格控制反應(yīng)條件的前提下，可以實(shí)現(xiàn)速度很慢或難以發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，并且反應(yīng)速率非常高。低溫等離子體技術(shù)在VOCs處理領(lǐng)域中已經(jīng)成為了具極強(qiáng)優(yōu)勢(shì)的高新技術(shù)，并越來越廣泛地得到市場(chǎng)應(yīng)用，等離子體技術(shù)在國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)科界也得到了廣泛關(guān)注和高度認(rèn)同。
2、低溫等離子體存在的問題
1)VOCs濃度較高時(shí)，低溫等離子體一般不宜作為獨(dú)立的處理單元應(yīng)用，需與其他處理單元聯(lián)合使用，通常作為二級(jí)凈化單元才能取得較好的處理效果；
2)廢氣的預(yù)處理不到位時(shí)，廢氣中的油霧或漆霧等顆粒物進(jìn)入低溫等離子體凈化設(shè)備，沉積在電極或器壁上，積累到一定程度后會(huì)引起設(shè)備著火；
3)有些化合物在低溫等離子體環(huán)境中發(fā)生聚合反應(yīng)，在電極或器壁沉積結(jié)焦，積累到一定程度也會(huì)引起設(shè)備著火；
4)易產(chǎn)生火花放電，在高峰值電壓下，反應(yīng)器易產(chǎn)生火花放電，火花放電不僅增大電能消耗，而且破壞放電的正常進(jìn)行，凈化效率低，還存在危險(xiǎn)性；
5)廢氣本身或處理系統(tǒng)積累的有機(jī)物濃度高，達(dá)到了被凈化物質(zhì)(或混合物)的爆炸極限值，電極放電時(shí)造成設(shè)備爆炸；
6)對(duì)于低溫等離子體設(shè)備對(duì)設(shè)備部件的構(gòu)型設(shè)計(jì)、制造精度、嚴(yán)密性等要求很高：如對(duì)電場(chǎng)頻率、電壓、高頻的脈沖等參數(shù)，成套設(shè)備中如果其中的某個(gè)參數(shù)達(dá)不到要求，如電壓電低、頻率過高或過低等會(huì)對(duì)離子體的產(chǎn)生量造成很大的影響，甚至?xí)斐杀ㄊ录?br />
3、低溫等離子體技術(shù)降解VOCs的改進(jìn)措施
2017年6月30日天津市安全生產(chǎn)委員會(huì)發(fā)布了《市安委會(huì)辦公室關(guān)于吸取事故教訓(xùn)開展環(huán)保治理設(shè)施專項(xiàng)安全檢查的通知》，通知中提到：“對(duì)采用‘低溫等離子’等可能產(chǎn)生點(diǎn)火能的工藝或設(shè)備設(shè)施處理易燃易爆揮發(fā)性有機(jī)物的，要立即停用，并全面進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，嚴(yán)防類似事故再次發(fā)生”。該通知發(fā)布后，引起了業(yè)界對(duì)低溫等離子體技術(shù)處理有機(jī)廢氣和惡臭異味氣體處理工程應(yīng)用的廣泛關(guān)注和爭(zhēng)議。
低溫等離子技術(shù)作為一種新型VOCs降解技術(shù)，雖然在廢氣處理中存在一定的問題，但可以通過等離子體協(xié)同光催化降低廢氣處理的安全隱患，并能夠把其推向市場(chǎng)。
、等離子協(xié)同光催化的理論分析
VanDurme報(bào)道了低溫等離子體協(xié)同TiO2去除甲苯有效提高了能量利用率。在背景氣為干空氣，能量密度為17J/L的條件下，等離子體反應(yīng)器中加入15g的TiO2可以將甲苯的去除率從27±4%提高到82±2%。
藤島昭報(bào)道了低溫等離子體協(xié)同光催化顯著地分解氨氣，他們認(rèn)為：等離子體產(chǎn)生的高能基團(tuán)、反應(yīng)活性基團(tuán)與TiO2表面有比較好的接觸，有益于等離子體協(xié)同光催化，提高光催化降解效率。并且可以有效減少副產(chǎn)物的產(chǎn)物。
第二、等離子體協(xié)同光催化實(shí)驗(yàn)結(jié)果
華鈦高科利用原位合成技術(shù)在低溫等離子體管表面涂覆、燒結(jié)得到具有納米TiO2涂層的等離子體管，甲苯和乙酸乙酯的氣體流經(jīng)復(fù)合凈化裝置的離子體發(fā)生器放點(diǎn)區(qū)域，利用低溫等離子體放電效應(yīng)激發(fā)納米TiO2的光催化活性，此時(shí)等離子體協(xié)同光催化對(duì)甲苯和乙酸乙酯具有協(xié)同處理效果，處理效率與等離子單獨(dú)使用相比提高了20-50%，其中乙酸乙酯的降解更為顯著。
另外，由于等離子體協(xié)同光催化的影響，大大提高了VOCs的降解效率，等離子管的表面不會(huì)累積有機(jī)物，所以會(huì)大大降低爆炸的危險(xiǎn)。
第三、等離子管表面的自清潔效果
TiO2涂層的自清潔效應(yīng)是涂層的光催化和親水性協(xié)同作用的結(jié)果。當(dāng)?shù)蜏氐入x子體發(fā)光時(shí)，TiO2表面具有自清潔效果，VOCs不會(huì)黏附到涂層的表面。TiO2表面超親水性是由于其表面的結(jié)構(gòu)變化：在紫外光的照射下，TiO2價(jià)帶的電子被激發(fā)到了導(dǎo)帶，電子和孔穴向TiO2表面遷移，在表面形成電子空穴對(duì)，電子與Ti4+反應(yīng)，空穴則同薄膜表面的橋氧離子反應(yīng)，分別生成Ti3+和氧空位，空氣中的水分子與氧空位結(jié)合形成表面羥基，形成物理吸附水層，其表面就會(huì)有極強(qiáng)的親水性，與水的接觸角減小到5o以下，甚至水滴可以完全浸潤(rùn)二氧化鈦薄膜表面，薄膜具有的這種性質(zhì)稱為超親水性。TiO2涂層在不斷進(jìn)行光催化降解而除去VOCs，達(dá)到自清潔的效果。
第四、其它處理措施
對(duì)于含油霧或漆霧等顆粒物的VOCs，應(yīng)配置過濾等適宜的預(yù)處理工藝，確保低溫等離子體處理設(shè)備的安全性；對(duì)電極和器壁上的沉積物應(yīng)及時(shí)進(jìn)行清理維護(hù)；啟動(dòng)低溫等離子體單元之前，需先啟動(dòng)風(fēng)機(jī)吹掃處理系統(tǒng)，以防止放電火花引燃積聚的高濃度有機(jī)物等。
等離子體技術(shù)是一種新型技術(shù)，通過企業(yè)研發(fā)人員和工程人員的共同努力，克服目前存在的缺陷，一定將在不久的將來大規(guī)模應(yīng)用到VOCs治理設(shè)備中。
原標(biāo)題：低溫等離子體降解VOCs的改進(jìn)措施
