低温等离子体协同催化降解甲硫醚的实验研究

发布时间：2017-10-27 09:08

  本文关键词：低温等离子体协同催化降解甲硫醚的实验研究

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【摘要】：近年来,以光化学污染、臭氧层破坏和严重雾霾为代表的区域性大气复合污染问题日益严重,影响到人类健康和生态环境,引起国内外学者的广泛关注。长期以来,我国大气污染物治理的重点主要集中在除尘、脱硫和脱硝工作上,并已取得一定进展,而挥发性有机物(VOCs)污染问题仍亟待解决。低温等离子体技术在低浓度VOCs治理领域的研究获得了显著成果。然而该技术仍存在能耗较高、易产生多种副产物等问题。研究表明,等离子体协同催化技术具有效率高、能耗低与副产物少的优点。前期的等离子体催化降解VOCs的研究多集中于传统碳氢有机化合物,而对具有恶臭的含硫有机废气的研究较少。本文以典型恶臭有机废气甲硫醚为研究对象,采用线筒式介质阻挡放电反应器,首先考察了填充不同放电介质的放电特性和甲硫醚降解规律。研究了放电参数、V2O5负载量、气体流量、初始浓度和温度等参数对等离子体协同V2O5-WO3/TiO2催化剂对甲硫醚降解特性的影响规律。通过XRD、BET、H2-TPR等表征手段分析催化剂的构效关系。通过分析副产物生成规律,提出等离子体协同催化降解甲硫醚过程的反应路径。在上述小试实验基础上,进行等离子体协同催化降解工业源有机废气放大试验研究。主要结论如下：(1)研究了不同填充介质(玻璃微珠、Al2O3和TiO2)及不同温度下,等离子体反应器的放电特性及甲硫醚降解特性。结果表明,填充材料的介电常数对放电特性与甲硫醚降解特性有较大影响,在相同放电电压下,填充不同放电介质反应器的放电功率和甲硫醚降解效率顺序均为：TiO2Al2O3玻璃微珠。在相同放电电压下,随着温度的升高,放电功率增大。相对于比表面积,填充介质的相对介电常数及放电因素对甲硫醚降解效果具有更重要的影响。温度是影响甲硫醚降解效率的重要因素,在相同放电能量密度下,当温度从25℃增加到200℃时,填充TiO2介质反应器对甲硫醚降解效率有30%-40%的提升。(2)考察了等离子体协同V/W/Ti催化剂体系对甲硫醚的降解规律。常温下,V/W/Ti催化剂对等离子体环境下的甲硫醚氧化有明显的促进作用,甲硫醚降解效率与能量效率随V2O5负载量的增加而增加。当V205质量分数为0.6%,能量密度为788 J/L时,甲硫醚降解效率为91.6%,较单独等离子体作用时效率提高了40%；能量效率为6.54g/(kW-h)。随着催化剂样品中V2O5负载量的增加,催化剂比表面积减小,但催化剂的氧化还原性提升。与甲硫醚降解效果对比表明,催化剂本身的氧化还原性较其物理结构在等离子体催化反应中起更重要的作用。(3)等离子体协同催化降解甲硫醚过程的主要产物有S02、HCHO、CO、 CO2等。随着放电能量密度的增加,CO、CO2浓度逐渐上升,HCHO先上升后降低,部分HCHO进一步分解为CO、CO2, SO2先升高后逐渐平稳。(4)研究了不同温度条件下,V/W/Ti催化氧化、等离子体和等离子体协同V/W/Ti催化对甲硫醚降解特性的影响规律。在200℃时,V0.9W/Ti催化剂催化氧化甲硫醚活性仅为1.3%；相同温度下放电功率为12W的等离子体协同V0.9W/Ti催化剂对甲硫醚降解效率为92.6%。等离子体协同催化降低了催化剂的活性温度区间,实现甲硫醚的低温下高效降解。在20℃到230℃范围内,等离子体协同催化降解甲硫醚效率从61.4%增加到93.4%,该温度范围内等离子体协同效应系数均大于2。化学动力学分析结果表明,V0.9W/T1催化氧化甲硫醚反应的活化能为74.6kJ/mol,放电功率为12W的等离子体协同V0.9W/Ti催化氧化甲硫醚反应的活化能仅为5.94kJ/mol。等离子体的加入活化了催化反应,促使甲硫醚在低温下(200℃)的降解。(5)最后根据小试实验结果设计了等离子体催化降解工业源有机废气放大试验。结果表明：在风量为100 m3/h,甲苯初始浓度40 ppm,放电中心频率3 kHz,放电功率为2 kW时,等离子体催化体系对甲苯的降解效率为90.7%,能量效率为7.3 g/kWh。在双组份VOCs中,甲苯与甲硫醚产生竞争反应。在相同反应条件下,甲苯／甲硫醚双组份中,由于甲硫醚分子的C-S键键能小于甲苯分子苯环与甲基间的C-C键和甲基的C-H键键能,所以甲硫醚比甲苯更容易被氧化。
【关键词】：低温等离子体 钒钨钛催化剂 甲硫醚 等离子体活化 反应机理
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X701
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 第1章 绪论16-30
• 1.1 挥发性有机物(VOCs)16-17
• 1.2 传统VOCs控制技术17-19
• 1.2.1 吸收技术17
• 1.2.2 吸附技术17-18
• 1.2.3 燃烧技术18
• 1.2.4 冷凝技术18-19
• 1.2.5 生物技术19
• 1.2.6 光催化技术19
• 1.3 低温等离子体技术19-24
• 1.4 低温等离子体协同催化技术24-29
• 1.4.1 催化剂的选择24-26
• 1.4.2 等离子体催化降解VOCs影响因素26-28
• 1.4.3 等离子体协同催化反应机理28-29
• 1.5 本论文研究内容29-30
• 第2章 实验系统与方法30-39
• 2.1 实验材料及仪器30-31
• 2.1.1 化学试剂及气体30
• 2.1.2 测试仪器30-31
• 2.2 等离子体催化实验系统31-32
• 2.3 测试方法32-39
• 2.3.1 电信号测量方法32-34
• 2.3.2 气体成分分析方法34-36
• 2.3.3 催化剂表征方法36-39
• 第3章 填充床等离子体反应器降解甲硫醚研究39-48
• 3.1 等离子体放电波形及现象39-40
• 3.2 不同填充介质放电特性40-44
• 3.2.1 常温下放电特性40-41
• 3.2.2 不同温度下放电特性41-44
• 3.3 填充床等离子体反应器降解甲硫醚研究44-47
• 3.3.1 常温下甲硫醚降解效率44-45
• 3.3.2 不同温度下甲硫醚降解效率45-47
• 3.4 本章小结47-48
• 第4章 等离子体协同V/W/Ti催化剂降解甲硫醚研究48-68
• 4.1 催化剂48
• 4.2 催化剂表征分析48-51
• 4.2.1 催化剂形貌表征及分析48-49
• 4.2.2 X射线衍射分析(XRD)49-50
• 4.2.3 氢气-程序升温还原(H_2-TPR)50-51
• 4.3 常温下等离子体协同V/W/Ti催化剂降解甲硫醚研究51-58
• 4.3.1 不同催化剂对甲硫醚降解效果影响51-53
• 4.3.2 初始浓度对甲硫醚降解影响53-54
• 4.3.3 气体流量对甲硫醚降解影响54-55
• 4.3.4 甲硫醚降解产物生成规律55-56
• 4.3.5 甲硫醚降解反应机理56-58
• 4.4 不同温度下等离子体协同V/W/Ti催化剂降解甲硫醚研究58-66
• 4.4.1 等离子体放电温度曲线58-59
• 4.4.2 温度对甲硫醚降解效果的影响59-63
• 4.4.3 SO_2生成规律63-64
• 4.4.4 碳平衡64-65
• 4.4.5 反应动力学分析65-66
• 4.5 本章小结66-68
• 第5章 工业源有机废气脱除系统设计及放大试验研究68-76
• 5.1 等离子体催化脱除工业有机废气系统设计68-70
• 5.1.1 反应器设计69-70
• 5.1.2 催化剂选择70
• 5.2 等离子体催化降解工业源有机废气放大试验研究70-74
• 5.2.1 初始浓度对甲苯降解效率的影响71-72
• 5.2.2 初始浓度对甲苯能量效率的影响72
• 5.2.3 风量对甲苯降解的影响72-73
• 5.2.4 等离子体催化降解双组份VOCs73-74
• 5.3 本章小结74-76
• 第6章 结论与展望76-79
• 6.1 结论76-77
• 6.2 本文创新点77
• 6.3 展望77-79
• 参考文献79-87
• 作者简历87

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本文编号：1102815