所用流向变换-等离子体-催化反应系统去除甲苯的实验装置由配气单元、气体反应单元、流向变换控制单元、电源控制单元和测量单元组成, 具体见文献^[2]。

实验中催化剂以堇青石蜂窝陶瓷为载体, 经过酸洗、去离子水洗涤烘干预处理后, 置于前驱体浆液(含活性组分)中, 60 ℃超声搅拌6 h, 110 ℃烘干2 h; 马弗炉中180 ℃焙烧1 h, 500 ℃焙烧3 h, 制得催化剂。

以甲苯降解率、甲苯绝对去除量、能量效率为考察指标, 具体如下。

以甲苯降解率 η作为甲苯降解效果评价指标:

η=C1-C2C1×100%(1)

式中, C1、 C2分别为甲苯进出口浓度, mg· m^-3。

甲苯的绝对去除量(简称去除量):

q=C1-C2×Q(2)

式中, q为甲苯去除量, mg· h^-1; Q为甲苯进口流量, m³· h^-1。

实验甲苯降解反应器的能耗以能量密度(SED, J· L^-1)和能量效率[(EE, g· (kW· h)^-1]作为评价指标, 反映单位能耗所去除的污染物的量:

SED= UmaxI2Q(3)

式中, U_max为示波器测量电压峰值, kV; I为测量电流, mA。

EE=C1-C2SED×3.6(4)

实验考察了流向变换-低温等离子体-催化反应系统在不同频率下对甲苯的降解情况, 比较了在系统中应用流向变换后甲苯降解率和去除量的变化情况, 结果如图1~2所示。

图1

Figure 1

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	图1 各反应系统的甲苯降解率Figure 1 Degradation of toluene in different reaction system

图2

Figure 2

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	图2 各反应系统的甲苯去除量Figure 2 Removal of toluene in different reaction system

由图1和图2可知, 对于空管和添加催化剂的反应系统, 随着外加频率的增加, 甲苯降解率随之增加。空管-未换向反应系统对甲苯降解率最低, 当外加频率为250 Hz时, 甲苯降解率为37.0%, 当系统中应用流向变换后, 空管-换向在频率250 Hz时达到71.5%, 降解率提高了34.5个百分点。同样地, 去除量也从79.9 mg· h^-1增至162.4 mg· h^-1。添加7.5%Mn/堇青石催化剂后, 在频率250 Hz时, 未换向时甲苯降解率为75.5%, 去除量为163.1 mg· h^-1, 换向后甲苯降解率达到89.0%, 去除量升到192.2 mg· h^-1。可以看到, 添加流向变换后, 甲苯降解率明显提升。并且空管-换向的甲苯降解率接近于7.5%Mn/堇青石-未换向。原因可能是, 当应用流向变化后, 在反应中放出的能量能较易被蓄热段蓄积, 而不排出系统, 这部分能量能被气体带入催化段, 进而提升甲苯氧化速率, 提高甲苯降解率。

各反应系统对能量密度的影响见图3。

图3

Figure 3

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	图3 各反应系统的能量密度Figure 3 Specific energy density of different reaction system

从图3可以看出, 随着外加频率的提高, 各反应系统的放电能量密度随之升高, 频率提高引起在系统中电子振荡更频繁, 使之与气体分子碰撞机会增加, 产生的活性粒子增多, 能量密度升高, 但不同的反应系统能量密度各不相同。对于使用流向变换技术前后的反应系统来说, 当施加频率小于100 Hz时, 7.5%Mn/堇青石的能量密度略高于空管, 但随着频率逐渐增大, 空管的能量密度超过7.5%Mn/堇青石, 并且频率越大, 差距越明显。

比较使用流向变换工艺前后反应系统的能量密度发现, 添加流向变换技术的反应系统能量密度高于未添加。分析原因, 添加流向变换技术后, 蓄热段蓄积的热量向放电区移动, 反应系统放电区温度升高, 增强活性粒子与甲苯分子碰撞几率, 增强化学反应活性, 这与VOCs降解规律一致。频率越高, 产生的活性粒子、空间电荷越多, 气流方向改变引起空间电荷在放电区产生位移, 使位移电流升高, 进而提高放电能量密度^[2]。

各反应系统对能量效率的影响见图4。

图4

Figure 4

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	图4 各反应系统的能量效率Figure 4 Energy efficiency of different reaction system

从图4可以看出, 同样的实验条件下, 不同反应系统的能量效率各不相同。添加催化剂的反应系统能量效率明显高于空管, 说明添加催化剂能降低反应系统能耗, 提高能量利用率。当外加频率低于150 Hz时, 对于空管和7.5%Mn-堇青石的反应系统来说, 添加流向变换技术的反应系统能量效率高于未换向反应系统, 在外加频率高于150 Hz时, 流向变换反应系统能量效率略低于未换向反应系统。上述实验结果表明, 反应系统在较低频率时, 蓄积在蓄热段的部分热量能被有效利用, 而频率较高时, 部分能量会以热损耗、光能的形式释放, 而不能得到有效利用, 导致能量利用率下降。

在有O₂存在的情况下, 气体放电过程中会有O₃产生。各反应系统的副产物O₃生成情况如图5所示。

图5

Figure 5

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	图5 各反应系统的O3生成情况Figure 5 Ozone generation of different reaction system

由图5可以看出, 在4种反应体系中, 空管-未换向反应体系中的O₃生成浓度最高, 催化剂的添加可有效降低其生成, 说明催化剂有助于降低O₃的生成, 主要是因为催化剂的添加一方面可提升污染物甲苯的降解, 另一方面, 反应中生成的活性基团同样会对O₃的分解产生积极的作用, 导致O₃生成量降低。在反应体系中应用流向变换, 也有助于降低O₃生成。当频率为250 Hz时, 空管-未换向反应体系与7.5%Mn/堇青石-未换向反应体系的O₃浓度分别为244 mg· m^-3与44 mg· m^-3, 而空管-换向反应体系与7.5%Mn/堇青石-换向反应体系的O₃浓度分别为0.78 mg· m^-3与0.57 mg· m^-3, 可见在系统中添加换向技术有助于O₃的分解。