低温等离子体—锰氧化物联合处理气体中二硫化碳和甲苯

发布时间：2020-03-20 03:44

【摘要】：近年来,由于气态污染物的大量排放引起了城市雾霾、光化学烟雾等区域大气环境问题,严重威胁了人类健康和生态安全。由于等离子体技术可以在常温常压下、极短的时间内、对浓度变化范围较大的气态污染物进行降解,所以该技术常用于处理成分复杂的工业废气。为提高等离子体的处理效率和能量利用率,常将等离子体与吸附剂、催化剂或氧化剂相结合来处理气态污染物。天然锰氧化物和锰钾矿具有良好的表面吸附与氧化还原特性。目前,将天然锰氧化物、锰钾矿与等离子体技术相结合处理气态污染物的报道较少。本研究选取铜陵某矿区天然锰氧化物矿石以及人工合成锰钾矿与低温等离子体相结合来处理气态二硫化碳和甲苯。通过产物分析和能量核算来评价天然锰氧化物、合成锰钾矿与等离子体联合降解气态污染物效应。运用XRD、BET、SEM、EDS、H2-TPR、TEM及FT-IR等多种表征技术研究锰氧化物制备及改性条件对其组成、微结构、表面性质及催化性能的影响,在此基础上探讨了低温等离子体-锰氧化物矿物协同净化气态污染物的机理。本文主要内容和结论如下:1)将天然锰氧化物及其改性产物置入到等离子体反应器中,考察了锰氧化物粒径、锰氧化物在等离子体反应器中的位置以及改性方法对二硫化碳去除率和甲苯转化率的影响。结果表明,随着锰氧化物粒径的减小,二硫化碳的去除率是逐渐增加;当锰氧化物填充在反应器余辉区时,二硫化碳去除率最高,可达到97.58%;与纯等离子体65%相比较,二硫化碳的去除率增加了 32%。另外,在等离子体反应器中加入天然锰氧化物还可使CS2的能量效率提高17%～33%,尾气中O3浓度降低大约50%,二氧化碳含量提高15%左右。天然锰氧化物经过4mol·L-1硫酸酸浸泡、500℃煅烧、30min微波高火加热、60min超声及用1.6g·L-1十六烷基三甲基溴化铵溶液改性后,其比表面积及孔容、孔径均大于原矿,并可使甲苯转化率提高15%左右。2)通过回流法和固相法合成了锰钾矿,考察了锰钾矿合成方法对其结构和性能的影响。研究表明,回流法合成的锰钾矿(OMS-2R)结构更均匀、具有更大的比表面积;OMS-2R能促进甲苯深度转化为CO2,而且能够吸附等离子体所产生的O3并将其分解为氧化性能更高的活性氧原子与污染物发生反应,这样既提高了甲苯的转化率,也减少了尾气中O3的排放量。通过锰钾矿、针铁矿和锐钛矿三种半导体矿物与等离子体联合降解甲苯的对比研究得知,无论是对甲苯转化率、二氧化碳选择性,还是对臭氧的分解能力,锰钾矿都是最佳催化材料。为进一步提高锰钾矿的催化性能,对锰钾矿进行铈掺杂改性,在锰钾矿上负载铈可使甲苯的转化率提高5%-15%;并且随着铈负载量的增加,甲苯的转化率是逐渐提高;铈掺杂锰钾矿持续使用180min后,甲苯转化率由93.75%缓慢降到88.7%,表明催化剂具有良好的稳定性。
【图文】：

示意图,等离子体反应器,双介质,石英管

（Ａ）单介质反应器邋（Ｂ）双介质反应器逡逑１－外石英管；２？外电极；３－进气口；邋４－内电极；５－聚四氟乙烯；６－出气口；邋７－内石英管；逡逑图２．３单、双介质反应器结构图逡逑Ｆｉｇ．邋２．３邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｓｉｎｇｌ

二硫化碳,去除率,材料,次级电子

２．２．２逦内电极材料对二硫化碳降解的影响逡逑在相同实验条件下，选取了直径相同的铜线和不锈钢线作为内电极，考察不逡逑同电极材料对二硫化碳降解的影响，实验结果如图２．７所示。逡逑１００邋ｒ逡逑．Ｉ逡逑１邋６０邋＾逡逑■邋告邋４０逦铜电极逡逑２０逦＋不绣钢电极逡逑Ｑ邋逦｜逦｜逦！逦｜逦｜逦｜逡逑４逦５逦６逦７逦８逦９逦１０逡逑外施电压／（ＫＶ）逡逑图２．７内电极材料对二硫化碳去除率的影响逡逑Ｆｉｇ．邋２．７邋Ｅｆｆｅｃｔ邋ｏｆ邋ｉｎｎｅｒ邋ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ邋ｍａｔｅｒｉａｌ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｒｅｍｏｖａｌ邋ｒｅｍｏｖａｌ邋ｒａｔｅ邋ｏｆ邋ＣＳ２逡逑从图２．７可以看出，以内电极为铜的反应器中二硫化碳去除率略高于以不锈钢逡逑为内电极的反应器。这可能是因为铜的次级电子发射系数５邋＝１．２９＞不锈钢的逡逑５＝１．２４［１（）７］。Ｓ表示离开物体表面的次级电子数与同一时间内落到同一表面上的初逡逑级电子数之比［１（）８］，，因此Ｓ值越大，表示物体发射出的次级电子数目就越多，铜的逡逑１９逡逑
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X51;X701

【参考文献】