翘片-筒式脉冲电晕流光放电...氯甲烷的降解效果及其稳定性_魏晓坤.pdf

文章栏目：大气污染防治DOI10.12030/j.cjee.202210137中图分类号X51文献标识码A魏晓坤,王洪昌,彭邦发,等.翘片-筒式脉冲电晕流光放电装置对二氯甲烷的降解效果及其稳定性J.环境工程学报，2023,17(6):1876-1885.WEIXiaokun,WANGHongchang,PENGBangfa,etal.Degradationeffectandsystemstabilityofdichloromethanebyfins-cylinderpulsecoronastreamerdischargeJ.ChineseJournalofEnvironmentalEngineering,2023,17(6):1876-1885.翘片-筒式脉冲电晕流光放电装置对二氯甲烷的降解效果及其稳定性魏晓坤1，2，王洪昌2，彭邦发3，刘政妍1，朱金伟2，崔宇韬2，张辰2，谭玉玲2，姜楠3，李杰3，1.大连理工大学环境学院，大连116024；2.中国环境科学研究院，北京100012；3.大连理工大学电气工程学院，大连116024摘要传统结构线-筒式电晕放电装置在降解 VOCs 时生成的副产物会粘附在放电区域(线电极)上，使得放电间距减小，导致降解效果不稳定。翘片-筒式脉冲电晕流光放电等离子装置的电极结构可将放电区域(翘片尖端-筒)与副产物粘附区域(连接翘片的轴线)分开，从而维持装置的放电强度和稳定性。当翘片-筒式脉冲电晕流光放电反应器相邻翘片间距/放电间距为 1，在 37kV 下，反应器功率为 0.95W，能量体积密度为和 23.6mJL1，为最优电极配置；处理二氯甲烷 2h 后的降解效率呈现小幅度下降后稳定在 35%。因此，放电形成的气溶胶部分沉积在凹槽处，可维持反应器稳定的放电强度及对二氯甲烷的降解效率。本研究结果可为低温等离子体处理VOCs 废气的性能提升提供参考。关键词翘片-筒式；电晕流光放电；等离子体；降解；挥发性有机污染物挥发性有机污染物(volatileorganiccompounds,VOCs)是生成光化学烟雾、PM2.5 的重要前驱体，其种类繁多，部分属于有毒有害物质，会对自然环境和人身健康造成严重危害14。低温等离子体技术具有常温常压下能产生高能电子和活性物质、处理浓度范围广、对污染物无选择性及操作简单等优点，被广泛应用于对 VOCs 的处理58。低温等离子体降解 VOCs 是利用放电产生的高能电子、自由基、臭氧等活性粒子，与 VOCs 分子碰撞后诱导激发其电离及解离，从而实现对 VOCs 的高效降解。常见低温等离子体反应器主要有电晕放电和介质阻挡放电(dielectricbarrierdischarge,DBD)两种。传统电晕放电装置常采用产生非均匀电场(线-筒9、线-板10或针-板11)的电极结构。DBD 反应器除采用非均匀电场电极的结构外，还可使用产生均匀电场(板-板12、同轴圆筒13)的电极结构。使用传统线-筒反应器处理VOCs 的过程中，气体降解产生副产物气溶胶会粘附在线电极表面使放电间距减小，导致火花放电、甚至弧光放电，引起放电等离子体状态的改变，影响降解效果的稳定性，甚至可能导致反应器燃爆。在实际应用中，气溶胶沉积在电极表面会降低设备使用寿命，需要定时清洗或更换电收稿日期：2022-10-27；录用日期：2023-02-18基金项目：国家自然科学基金资助项目(51877028)；新疆生产建设科技发展基金资助项目(2019BC009)；中央高校基本科研业务费资助项目(DUT22JC04)第一作者：魏晓坤(1996)，女，硕士研究生，；通信作者：李杰(1964)，男，博士，教授，环境工程学报Chinese Journal ofEnvironmental Engineering第 17 卷 第 6 期 2023 年 6 月Vol.17,No.6Jun.2023http:/E-mail:(010)62941074极，造成运行和维护成本的增加。YAO 等14利用线-板电极降解甲苯时发现，在线电极及板电极周围都会产生黄褐色气溶胶，并且随着时间的增加，气溶胶沉积量增加，颜色变深。ZHANG 等15利用线-筒式反应器降解苯乙烯时发现随着处理时间和污染物浓度的增加，气溶胶等油类副产物容易沉积在反应器壁和线电极表面，这些沉积物影响了 DBD 运行状态及其对 VOCs 的降解性能。KARATUM 等16观察到使用线-筒式反应器处理 VOCs 时，线电极表面及出口管呈现黄褐色，同时反应器的出口处积累了大量的深褐色小颗粒，且随着处理时间的增加，沉积物会造成反应器的堵塞。李杰等17采用 V 型收尘极板将电除尘器的粉尘收集区与放电区分开，解决了电除尘器收集高比电阻粉尘反电晕放电问题；有研究者改进了低温等离子体翘片-杆 DBD 电极结构，将翘片的凹槽用于沉积气溶胶副产物，翘片的刃沿用于产生放电，使 DBD 在实验时间内对 VOCs 的处理性能基本稳定1821。但是由于 DBD 电极结构气隙间距小，会造成处理大流量 VOCs 污染气体时阻力大的问题。本课题组将翘片-筒式电晕流光放电等离子体电极结构的放电区域(翘片尖端-筒)与副产物粘附区域(连接翘片的轴线)分开，研究翘片-筒式脉冲放电特性，优化翘片的布置方法，探究反应器对二氯甲烷降解效果及能量效率，以期获得工艺参数最优值，进而考察反应器运行的稳定性及气溶胶沉积情况，从而为低温等离子体处理 VOCs 废气的性能提升提供参考。1材料与方法1.1实验装置翘片-筒式脉冲电晕流光放电等离子体实验装置如图 1 所示。二氯甲烷标气、氮气、氧气由质量流量控制器(GT130D)控制进入混气瓶中，充分混合后稀释为实验模拟废气。在废气的组分稳定后进入等离子体反应器进行降解。等离子体反应器内部为翘片-筒结构，不锈钢圆筒厚度为 0.2cm，内径为 9.8cm；翘片结构由不锈钢螺纹杆(0.8cm)和 3 种不同直径的不锈钢翘片(7cm、6cm和 5cm)组成，翘片等距排列在不锈钢螺纹杆上，与筒壁之间的距离(即放电间距 B)分别为 1.4cm、1.9cm 和 2.4cm。放电有效长度(L)随着翘片的数量与间距的改变而变化。使用纳秒脉冲电源供电，利 用 示 波 器(TektronixMDO3014)连 接 高 压 探 头(TektronixP6015A)和 电 流 探 头(TektronixP6021A)测量放电过程中电流、电压及频率等参数。降解后的废气从反应器出口排出，分别进入气相色谱仪(Agilent7890A)、傅里叶红外烟气分析仪(DX4000)以及气相-质谱联用仪(Agilent7890B-5977B)，以检测降解后的废气中二氯甲烷浓度以及中间产物的种类。利用便携式气体检测仪混气瓶质量流量控制器脉冲电源示波器电压探头电流探头 GC-7890A出气口Welcome to the systemGC-MS气相色谱-质谱联用仪VOCsN2O2傅里叶红外光谱ThermoPIKE进气口翘片-筒式等离子体反应器质量流量控制器质量流量控制器LBANanosecond Pulse PowerTektronix Digital Oscilloscope100MHzMRB1B212342.4mGas Cle l注：A为相邻翘片间距，cm；B为放电间距，cm；L为放电有效长度，cm。图1实验系统示意图Fig.1Schematicdiagramoftheexperimentalsystem第6期魏晓坤等：翘片-筒式脉冲电晕流光放电装置对二氯甲烷的降解效果及其稳定性1877(TY2000-B)检测排放尾气中的 HCl。1.2计算方法纳秒脉冲电源输入等离子体反应器的单个脉冲能量(W，mJ)由脉冲电压电流波形图积分计算而来，输入功率(P，W)为脉冲电源输入等离子体反应器的功率，计算公式见式(1)(2)。W=t0U(t)I(t)dt(1)P=fW(2)定义单位等离子体体积所注入的能量为能量体积密度 EVD(energyvolumedensity，mJL1)，计算公式见式(3)。能量体积密度=WV1 000(3)能量输入密度 SIE(Specificinputenergy，JL1)是指单位体积二氯甲烷得到的能量，计算公式见式(4)。SIE=PQ60(4)二氯甲烷降解效率()为已降解污染物浓度与反应器进口浓度值的比值，计算公式见式(5)。=CinCoutCin100(5)能量效率 EY(Energyyield，gkWh1)指单位能量下去除二氯甲烷的质量，计算公式见式(6)。EY=(CinCout)M22.4SIE3.6(6)U(t)I(t)CinCout式中：t 为单个脉冲持续时间，s；和分别为瞬时脉冲峰值电压和瞬时脉冲电流，kV 和 A；f 为电源频率，HZ；V 为等离子体放电区域体积，L；Q 为气体流量，Lmin1；和分别为气体进口浓度值和出口浓度值，mgm3；M 为二氯甲烷的摩尔质量，84.93gmol1。2结果与分析2.1放电特性等离子体反应器放电功率及能量体积密度与其结构有密切联系。为最大限度将电能量传输到反应器当中，通过改变相邻翘片间距(A)与放电间距(B)来检测放电特性并优化电极配置。实验固定翘片数量为 6 片，调整相邻翘片间距，并以 A/B 的比值为变量来测试其对功率和能量体积密度的影响(图 2)。3 种放电间距下，随着峰值电压的增加，等离子体反应器的注入功率和能量体积密度均增加。在放电间距为 2.4cm 时(图 2(c)，功率随着 A/B 值的增加而增大。当 A/B 值为 11.5，0.50.751.01.251.50.60.70.80.91.01.11.21.3功率/W功率/W功率/W 27 kV 29 kV 31 kVA/B203040506070能量体积密度/(mJL1)0.50.751.01.251.50.60.70.80.91.01.11.21.3 31 kV 33 kV 35 kVA/B102030405060能量体积密度/(mJL1)能量体积密度/(mJL1)0.500.751.001.251.500.60.70.80.91.01.11.21.3 33 kV 35 kV 37 kVA/B1015202530354045(a)放电间距1.4 cm(b)放电间距1.9 cm(c)放电间距2.4 cm图2不同放电间距时，A/B 对功率和能量体积密度的影响Fig.2EffectofA/Bonpowerandenergyvolumedensitywithdifferentdischargeintervals1878环境工程学报第17卷功率增加缓慢基本保持平衡在 1W。随着 A/B 值的增加，能量体积密度呈现逐渐下降趋势。当A/B1 时，反应体系内注入功率基本平衡，但能量体积密度较少，最低仅有 16.2mJL1。当A/B=1 时，反应器可兼顾功率和能量体积密度 2 个参数。此时，功率和能量体积密度在 37kV 下的最大值分别为 0.95W 和 23.6mJL1。当翘片间距较小时，相邻翘片之间会相互影响产生静电屏蔽，导致单次脉冲能量减少，进而使注入等离子体反应器的功率降低。相邻翘片间距的增加会造成放电区域长度与体积的增加，但由于注入反应器中的能量变化率远小于反应器体积变化率，造成放电产生的等离子体在单位放电反应区域内的分布减少，即能量体积密度变小。综合翘片间距对功率与能量体积密度的影响，A/B=1 时的翘片结构为实验最优电极配置。2.2参数优化1)初始质量浓度对 VOCs 降解的影响。含氯 VOCs 在不同工业领域的排放浓度不同，因此探究初始质量浓度对降解效果的影响十分重要。图 3 所示为放电间距为 2.4cm 的反应器内，初始气体流量 256.8mLmin1，含氧量 4%，脉冲频率为 50Hz，反应器对二氯甲烷的降解效率及能量效率。随着脉冲峰值电压的增加，注入反应器功率不断增加，二氯甲烷降解效率也呈现上升的趋势。在相同脉冲峰值电压条件下，二氯甲烷降解效率与初始质量浓度成反比，与能量效率成正比。当脉