1、低溫等離子體協同催化凈化廢氣的研究進展摘要：低溫等離子體-催化協同凈化技術是一項全新的處理技術 ，具有能耗低，處 理效率高等優點，在處理VOCs氮氧化物、機動車尾氣方面都有著廣闊的發展前 景，但實際應用還很不成熟，需要加大力量進行更加深入的理論和實踐研究，低溫 等離子體協同催化凈化技術將在廢氣治理領域發揮重要的作用。關鍵詞：低溫等離子體；協同作用；大氣污染控制目前，各種有毒有害氣體的排放已造成嚴重的環境污染。 低濃度有害氣態污 染物（如SO2 NOx VOCs H2S等）廣泛地產生于能源轉化、交通運輸、工業生 產等過程中。國際條例加強了對這些有害廢氣的限制。 傳統的治理方法如液體吸 收法、活性

2、炭吸附法、焚燒和催化氧化等已很難達到國際排放標準。近年來興起的低溫等離子體催化 （non-thermal plasma catalysis） 技術 解決了傳統的凈化方法所不能解決的問題。用該項技術處理有機廢氣具有以下優點：能耗低，可在室溫下與催化劑反應，無需加熱，極大地節約了能源；使用便 利，設計時可以根據風量變化以及現場條件進行調節；不產生副產物，催化劑可 選擇性地降解等離子體反應中所產生的副產物：不產生放射物；尤其適于處 理有氣味及低濃度大風量的氣體。但以下兩方面還有待改進：對水蒸氣比較敏感，當水蒸氣含量高于5%寸，處理效率及效果將受到影響：初始設備投資較高。 該項技術在環境污染物處理方面

3、引起了人們的極大關注，被認為是環境污染物處理領域中很有發展前途的高新技術之一。本文將探討其與污染氣體的作用過程及 兩者協同作用機理，并概述這一技術在廢氣治理方面的進展。1低溫等離子體技術原理與協同作用機理低溫等離子體技術原理等離子體是含有大量電子、離子、分子、中性原子、激發態原子、光子 和自由基等組成的物質的第四種形態。其總正負電荷數相等宏觀上呈電中性，但具有導電和受電磁影響的性質，表現出很高的化學活性。根據體系能量狀態、溫 度和離子密度，等離子體通常可分為高溫等離子體和低溫等離子體（包括熱等離 子體和冷等離子體）。高溫等離子體的電離度接近，各種粒子的溫度幾乎相同，并 且體系處于熱力學平衡狀態

4、，它主要應用于受控熱核反應研究方面。低溫等離子 體則處于熱力學非平衡狀態，各種粒子溫度并不相同。低溫等離子體可通過前沿陡、脈寬窄（納秒級）的高壓脈沖放電在常溫常 壓下獲得，其中的高能電子和 O、OH&#6165陰活性粒子可與各種污染 物如CO HC NOX SOX H2s RSH等發生作用,轉化為CO2 H2O N2 S SO2 等無害或低害物質，從而使廢氣得到凈化。它可促使一些在通常條件下不易進行 的化學反應得以進行，甚至在極短時間內完成，故屬低濃度VOCs治理的前沿技 術。協同作用機理低溫等離子體和催化協同作用處理廢氣的主要原理如下：等離子體中可源源不斷地產

5、生大量極活潑的高活性物種，這在普通的熱化學反應中不易得到， 這些活性物種（特別是高能電子）含有巨大的能量，可以引發位于等離子體附近的 催化劑，并可降低反應的活化能。同時，催化劑還可選擇性地促進等離子體產生的 副產物反應，得到無污染的物質。但是目前國內外在等離子體和催化協同作用機 理方面的分析和研究比較少，在這方面的認識還遠遠不夠。有學者認為，固相催化劑的活性是由它們的化學和物相組成，晶體結構以 及活性比表面所決定。在等離子體的作用下，催化劑表面將形成超細顆粒（平均顆 粒直徑為5-500nm,比表面約為100 m2/g）,這將大大增加催化劑的比表面積，并且 破壞催化劑的晶體結構，擁有更多的空穴，

6、從而導致高的催化活性。相比普通的催 化劑，等離子體作用后的催化劑有如下獨特之處：具有高度分布的活性物種， 能耗減少，加強了催化劑的活性和選擇性，延長了催化劑壽命；縮短了制備時 問。另外,等離子體的作用可促進催化劑中的組分均勻分布，降低對毒物的敏感程 度。這些特性將使得等離子體一催化技術有更大的應用前景。2 .研究進展歐美和日本等國對低溫等離子體催化技術的研究開展得比較早，主要把該技術應用于脫硫脫硝、消除揮發性有機化合物、凈化汽車尾氣、治理有毒有害化合物等 方面。目前，很多國家的學術機構、政府和商業機構都在積極地開展此類研究。近年來，國內有很多學者在等離子體煙氣脫硫脫硝、汽車尾氣凈化、有機廢氣處

7、 理等方面取得了較多實驗結果，在這方面的研究已比較成熟。處理vOcsa展國內外大量研究表明，等離子體-催化協同作用相比單個作用時能大大增 強凈化效果。Kang M等人在常壓下用等離子體/TiO2催化體系去除苯，催化劑的 質量百分比為3%,苯的濃度為1000 mg/m3,在僅有氧氣等離子體沒有TiO2催化劑 時,40%的苯分解；在TiO2/O2等離子體下，脫除率達到 70%;在O2等離子體 中,TiO2負載于y-A12O3上時甲苯的轉化率達到80%Futamura S等對有害大氣污染物（HAP）在低溫等離子體化學處理中金屬 氧化物的催化活性進行了研究,在沒有MnO2乍催化劑時，苯的摩爾轉化率為3

8、0%, 而在有MnO2乍催化劑時，苯的摩爾轉化率可以大大提高。Franeke K P等人研究 指出，在僅有催化劑時，20%的DCEU氯乙烯）轉化成CO2僅放電條件下，轉化70% 的DCE只有當兩者協同作用時，有90%勺DCEt去除,并且CO2為主要氧化產物。秦張峰等應用低溫等離子體催化凈化甲苯廢氣，采用了含CuO Pd Pt等 活性組分的催化劑，當反應氣流速為50-500 mL/min,甲苯初始濃度為20XX-20XX0 mg/m3時，甲苯去除率為70%-95%脫除量可達110 mg/h。李鍛等將雙極性脈沖高 壓引入介質阻擋反應器對氯苯和甲苯的分解特性進行了實驗研究，而以馮春楊、 晏乃強和黃立

9、維等人開展了脈沖電暈去除多種有機廢氣的研究，初始濃度為mg/m3,苯的去除率達到，并對比了線一筒式和線一板式二種反應器對甲苯的去 除率，在以Mrr Fe等作為催化劑時，可使去除率提高，催化劑活性的排序為 Mn>Fe>Co>Ti>Ni>Pd>Cu>連去除各種有機廢氣中，甲醛最易去除，二氯甲烷最難， 甲苯、乙醇、丙酮則處于其問。處理氮氧化合物進展Rajanikanth B S 等人對模擬氣體在等離子體放電催化中NOx的去除進行了實驗研究，指出介質填充床的存在可使NO在低電壓下有更高的去除效率。實 驗對三種不同的催化劑（AI2O3、BaTiO& A1

10、2O3 + Pd）進行了探討，發現BaTiO3 顆粒在氣體組成為NO O2 N2以及NO在N2中時有更高的去除效率。在NO的初 始濃度為265 mg/m3時,NO的去除效率幾乎達到99%在模擬7車尾氣（組成為 NO： O2： CO2： N2 ）中，相比其他介質，涂了 Pd的AI2O3催化劑有更高的NO去除 效率，在室溫下NO*除效率相當于300c甚至更高溫度下尾氣在慣常催化劑作用 下的效率。Franeke K P等研究指出，僅在放電條件下，部分NO被氧化成NO2;在僅有 氨作為還原劑，沸石作為催化劑時，可去除20%勺NO當等離子體置于催化之后， 僅少量NOM化成NO2放電置于彳S化之前，約50

11、%N敏去除；而當等離子體靠近催 化放置時，有超過80 %的NO專化成N2凈化機動車尾氣進展為實現美國環保局（EPA）提出的機動車尾氣中NO姐須還原90%Z上的目 標，等離子體協同的催化體系在治理機動車排氣方面有了很大進展。 目前，用該項 技術NOx勺還原效率可達到65%Z上,同時,該項技術還可脫除92%96%j顆粒物， 去除甲醛40%；上。美國學者指出，在富氧廢氣中采用低溫等離子體技術處理汽車尾氣，可使NO在O2和碳氫化合物的協同作用下轉變為 NO2而隨后的金屬氧化物催化劑可使NO承化為N2。該方法強化了機動車排氣中氮氧化物的還原,特別是那些有相 對較高硫含量的汽車尾氣。Miessner H等

12、11也指出，SCR和低溫等離子體相結 合凈化機動車排氣，加強了整體反應，在相對低的溫度下就能有效地去除 NOx A12O3和ZrO2作為催化劑的加入，促進了反應向有利方向進行。當供給每個NO分子30 ever的能量，溫度為300C ,氣速為20XX0 /h時,500 mg/m3的NO能還原一半以上。國內學者發明了一種后置式汽車尾氣凈化器，尾氣經錐體分散后進入電場的催化劑中，在低溫等離子體和催化劑的協同作用下，尾氣凈化率大大提高。該 凈化器一方面可使催化劑活性增加，轉化率提高；另一方面可避免催化劑燒結，從 而降低汽車尾氣中有害氣體的排放。與現有技術相比，該凈化器具有以下優點： 將低溫等離子體技術

13、與催化技術相結合，技術得到升級；適用于各種車型，不受 汽車的原始排放限制，不同于現有的三元催化裝置：沒有起燃溫度限制，對冷車 啟動同樣有效，且適用范圍廣；結構緊湊，設計獨特、新穎。3 .展望低溫等離子體技術應用的可行性和條件試驗已較充分，也有了大量理論基礎，已為這項工藝簡單、適用性強、流程短、能耗低、易于操作和自動化的新 技術早日工業化打下了充分的基礎。但在低溫等離子體技術與催化協同作用方面 研究較少，是一項全新的處理技術，二者相結合，等離子體場產生高能量活性粒子 促進催化反應，減少能耗；催化主導反應方向，讓反應具有選擇性，并能大大減少 反應副產物，該技術被認為在處理VOCs氮氧化物、機動車尾

14、氣方面都有著廣闊 的發展前景，但實際應用還很不成熟，必須投入足夠力量進行更加深入的理論和 實踐研究。參考文獻呂喚春，潘洪明，陳英旭.低濃度揮發性有機廢氣的處理進展J.化 工環保,20XX, 21(6):324-327.Futamura S, Zhang A H, Einaga H, etal. Involvement of catalyst materials in nonthermal plasma chemical processing of hazardous air pollutantsJ. Catalysis Today, 20XX, 72:259-265.Francke K P,

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