低温等离子体如何更好地协同催化剂

更新时间：2018-09-21 22:10:35 185次访问

他们彼此协同对污染物（NOx，CH，CO，PM）净化机理是怎样的

摘要：等离子体催化协同有机废气净化技术适合于各类挥发性有机物的治理。低温等离子体-催化协同净化技术具有能耗低、投资少、处理效率高、不产生二次污染等显著优点备受人们的关注。从挥发性有机化合物（VOC） 的转化、氮氧化合物的脱除、汽车尾气净化等不同废气治理的角度，概括了目前国内外在这方面的研究进展，最后提出了该项技术在环境保护领域的应用前景及研究方向。  

关键词：低温等离子体；协同作用；废气治理 

 1 引言  

随着化工工业的进一步发展，如油漆、印刷、绝缘材料、树脂皮革加工、印铁制罐及石棉等行业，它们都大量使用有机溶剂，并且排放出含苯、甲苯、乙醇、丙酮和一氧化碳等有害物质的废气。另外，机动车数量的不断上升，其尾气的排放；有机废弃物的处理；化石燃料的燃烧；溶剂的蒸发也造成大量的有机废气的超标排放。这些有害物质由于其毒性或恶臭气味，严重影响着操作人员的身体健康及周围的大气环境状况，已引起世界各国的普遍重视。  

在我国，特别是珠三角地区的有机废气污染严重，VOCs与NOx、CnHm在阳光作用下发生光化学反应，吸收地表红外辐射引起温室效应；破坏臭氧层形成臭氧空洞，引起人体致癌和动植物中毒。其特点：污染源多；污染物种类多；VOCs浓度低；流量大。我国的《大气污染物综合排放标准》（GB16297－1996）也对14类VOCs规定了最高排放浓度、最高允许排放速率和 无组织排放限值。其中，对甲苯等挥发性有机物的排放的规定：对于居民区，甲苯的最高允许排 放量为60mg/m3，苯为17mg/m3，二甲苯为90mg/m3 。  

2 协同作用机理  

国内外大量研究表明，等离子体一催化协同作用相比单个作用时能大大增强净化效果。Shigem Futamura等人发现，等离子体反应中产生的O3可被MnO2催化剂降解；同时，两者协同作用处理苯时，苯的摩尔转化率可以大大提高。K．P．Franeke等人研究指出，在仅有催化剂时，20%的DCE（二氯乙烯）转化成CO2；仅放电条件下，转化70%的DCE，但不是CO2，有一定数量的甲酰氯生成，臭氧也出现于气相中；只有当等离子体和催化协同作用时，有90%的DCE被去除，并且CO2为主要氧化产物。Stefan Bruer等人实验证明，在低于140℃，不经过等离子体的处理时，NOx几乎没有被去除；而在经介质阻挡放电后再进行催化转化时，约有70%的NOx被还原。  

然而，目前国内外在等离子体和催化协同作用机理方面的分析和研究比较少，在这方面的认识还远远不够。综合看来，低温等离子体和催化协同作用处理废气的原理如下：等离子体空间富集了大量极活泼的高活性物种，如离子、电子、激发态的原子、分子及自由基等。这些高活性物种在普通的热化学反应中不易得到，但在等离子体中可源源不断地产生。这些活性物种（特别是高能电子）含有巨大的能量，可以引发位于等离子体附近的催化剂，并可降低反应的活化能。同时，催化剂还可选择性地促进等离子体产生的副产物反应，得到无污染的物质。  

有文献认为，等离子体中高密度的活性粒子就像很多高强度的紫外线一样存在于反应器中，并且当气体停留时间小于1s时顺着反应器中气流方向分布。因此，当催化剂顺着等离子体反应器中气流分布，或者位于等离子体区附近时，这些等离子体激发的物种有可能在低温（甚至室温）下就激活催化反应。相比这些催化剂在一般状态下需达到300℃以上的高温才有净化效果，等离子体．催化技术可大大减少能耗。  

还有人认为，固相催化剂的活性是由它们的化学和物相组成，晶体结构以及活性比表面所决定。在等离子体的作用下，催化剂表面将形成超细颗粒（平均颗粒直径为5～500 nm， 比表面约为100m2 /g，这将大大增加催化剂的比表面积，并且破坏催化剂的晶体结构，使有更多的空穴，从而导致高的催化活性。相比普通的催化剂，等离子体作用后的催化剂有如下独特之处：①具有高度分布的活性物种；②能耗减少；③加强了催化剂的活性和选择性，延长了催化剂寿命；④缩短了制备时间。并且，催化剂的分散和组成状况可以通过改变等离子体化学参数得到控制。另外，等离子体的作用可促进催化剂中的组分均匀分布，降低对毒物的敏感程度。这些特性将使得等离子体一催化技术有更大的应用前景。  

3 研究开发现状  

欧美和日本等国对低温等离子体催化技术的研究开展得比较早，主要把该技术应用于脱硫脱硝、消除挥发性有机化合物、净化汽车尾气、治理有毒有害化合物等方面。这些国家的研究人员申请获得了许多低温等离子体催化方面的专利，同时也显示了低温等离子体催化技术在治理废气方面的巨大潜力。  

目前，很多国家的学术机构、政府和商业机构都在积极地开展此类研究。比如，美国工程师协会就曾连续多年举行专门的国际学术会议，展示和讨论低温等离子体催化技术在处理机动车尾气上应用的最新进展。在一些国家，用该项技术处理有机废气已成为主流。近年来，国内有很多学者在等离子体烟气脱硫脱硝、汽车尾气净化、有机废气处理等方面取得了较多实验结果，发表的论文很多，应用也不少，在这方面的研究已比较成熟。但在低温等离子体技术与催化协同作用方面研究较少，工业上的应用还很不成熟。以下概括了国际上低温等离子体一催化协同作用技术在不同废气治理方面的研究与开发进展。  

主要包括：挥发性有机化合物（VOC）的转化、氮氧化合物的脱除、机动车排气净化等方面。  

4 结语  

低温等离子体催化处理技术是一种全新概念的处理技 术。等离子体技术与催化相结合，等离子体场产生高能量活性粒子，促进催化反应，使催化反应甚至无需加热即可发生；催化主导反应方向，让反应具有选择性，并大大减少反应副产物。该项技术被认为是处理低浓度、大流量有毒有害气体的最有效方法。等离子体与催化技术相关联，展示了其特异的化学现象和崭新的应用领域。在净化机动车排气、烟气脱硫、脱除氮氧化物、降解挥发性有机化合物、去除毒性化合物等方面都有着广阔的发展前景。但是就应用技术本身来讲，目前还不完全成熟，还需要对低温等离子体催化协同作用产生机理、与被处理废气间的物理、化学过程加以研究，以优化工艺设计。