摘要：等离子体处理ＶＯＣｓ是一种具有高效、无二次污染、操作简单、能耗低等优点的废气处理技术，本文综述了低温等离子体技术在石油化工V0Cs治理中的应用研究进展，并总结了影响该技术处理效率的主要因素。
关键词：等离子体；挥发性有机污染物；废气处理
随着经济与社会的日益发展，工业生产活动持续繁荣，伴随而来的是大范围的大气环境污染，其中VOCs（挥发性有机化合物）以其存在的广泛性和对人体健康的危害性被广泛关注，并被列为防控重点，VOCs一般产生于石油化工、涂料油墨生产、建筑装修等行业。与发达国家相比，我国对VOCs废气的治理技术还比较落后，但随着我国对大气环境质量要求的不断提高，VOCs排放的控制将会越来越严格，研究开发新的VOCs废气处理技术迫在眉睫。
1等离子体及其分类
等离子体被称作除固态、液态和气态之外的第四种物质存在形态。简言之，等离子体就是电离气体，它是电子、离子、原子、分子、自由基等粒子的集合体。按热力学平衡可分为热力学平衡等离子体（Thermal Equilibrium Plasma）和非热力学平衡等离子体（Non-thermal Equilibrium Plasma）。令电子温度为Te、离子温度为Ti、气体温度为Tg，当Te、Ti、Tg近似相等或完全一致时称为热力学平衡等离子体，其温度通常≥3×103K；当Te>Ti时，其电子温度高达104K以上，而离子和原子之类的重粒子温度却可低到300K～500K，称为非平衡等离子体，即低温等离子体。实验室中常用的低温等离子体主要包括电晕放电（Corona Discharge）、辉光放电（Glow Discharge）、火花放电（Spark Discharge）、介质阻挡放电（Dielectrical Barrier Discharge）、滑动弧光放电（Gliding Arc Discharge）、微波等离子体（Microwave Plasma）及射频等离子体（Radio-frequency Plasma）等。
2低温等离子体去除VOCs的机理
采用低温等离子体分解气体污染物时，等离子体中的高能电子起决定性的作用。等离子体与VOCs的作用机理主要有两方面：一是数万度的高能电子直接与气体分子（原子）发生非弹性碰撞，将能量转换成基态分子（原子）的内能，使其激发、离解、电离最终生成无害的CO2和H2O；二是高能电子激励气体中的O2、N2、H2O等分子，从而产生具有强氧化能力O、OH、O3、OH2等自由基或活性粒子，它们破坏C-H、C=C或C-C等化学键，使VOCs分子中的H、C1、F等发生置换反应和分解氧化，最终生成无害物质CO2和H2O。
3应用研究
近年来，由于低温等离子体处理ＶＯＣｓ技术具有的优越性，许多研究人员进行了相关探索，采用不同类型的等离子体发生源，设计不同的反应器，并取得了一定的成果。翁棣等人在１４０ｋＶ的高压脉冲发生器产生的脉冲混合电晕放电下，在有机玻璃制成的方形盒内，采用石英电极材料处理载气流量为０．１５Ｌ／ｍｉｎ，空气流量为７０Ｌ／ｈ的苯，最后的去除效率高达８２．７３％。吴健婷等人采用自制高压脉冲电源，在线－筒式反应器玻璃管外壳反应器内，处理３００ｐｐｍ～８００ｐｐｍ的典型ＶＯＣｓ物质二甲苯，实验结果显示对８００ｐｐｍ的二甲苯去除率最佳可达到５０％，而对低浓即３００ｐｐｍ的二甲苯去除率最佳可达７１．７％。熊举坤，黄海涛等人用高频感应耦合放电产生的等离子体，处理浓度为初始体积分数为２５．５×１０－６，流速为１Ｌ／ｍｉｎ的甲醛气体，分别在电源为５０Ｗ、１００Ｗ的条件下进行实验，其去除效率分别可达８３．８％、９９．３％冯春杨等人采用脉冲电晕放电，在电源实验条件为５０Ｖ，０．６Ａ，２０Ｈｚ下，在线－筒式电晕反应器中处理流量为１６２０ｍｌ／ｍｉｎ，浓度为７６．８ｍｇ／ｍ３的苯，最终的去除率可达６１．４％。姜华东等人采用同轴ＤＢＤ等离子反应器处理２０ｍｌ／ｍｉｎ的携苯氮气，其中空气流量为０．９Ｌ／ｍｉｎ，最后的处理效率高达９３％。还有研究人员用滑动弧放电，以空气为背景气体，电源为１０ｋＶ的条件下，处理一系列的挥发性有机气体。当处理浓度为３００ｐｐｍ的正丁烷、正戊烷、正己烷、四氯化碳、三氯甲烷时，最终去除率分别为８８．３％、９２．１％、９３．６％、５１．２％、６２．４％；处理浓度为６００ｐｐｍ的苯、甲苯、二甲苯、乙苯，去除率为７５．４％、７７．５％、８２．６％、８５．１％；对８００ｐｐｍ的乙醚、甲醇的去除率为８５．１％、８７．３％；处理高浓度１０００ｐｐｍ的乙酸乙酯的去除率为９２．３％。众多的实验研究表明，低温等离子体处理挥发性有机废气具有很高的去除效率。
4影响因素分析
在相关实验研究中，在不同的实验条件下，会得到不同的处理效果。等离子体技术处理ＶＯＣｓ的影响因素很多，常见的影响因素见表１。
梁文俊、李坚等人研究了在高频电源条件下，考察了多种实验参数对苯降解特性的影响，结果表明，高施加电压，高电源频率有利于苯的降解；管径较小、内电极较大、有效长度较长、用钨作电极材料对苯的处理效果好。刘江江研究了利用凿－板式和线－筒式电极结构降解氯苯，其降解率随峰值电压、氯苯浓度、滞留时间的变化有着共同的特点：反应器峰值电压越高，降解效率越高；随着ＶＯＣｓ浓度的增加降解率降低；滞留时间越短，降解率越低。谢成屏选择以苯系物（苯、甲苯和间二甲苯）作为处理对象，在研究等离子体法处理ＶＯＣｓ的去除实验中，在不同条件下结果表明，苯系物的去除率随着电场强度的增强而增大，随着气体流速的增大而减小，随着进口浓度的增大而减小。章旭明研究了相同实验条件下不同供电方式的ＶＯＣｓ处理效果，结果表明负电晕的伏安特性曲线受湿度和干扰较小，正电晕的伏安特性曲线受湿度和干扰较大，当正高压供电，能量密度为约４０Ｊ／Ｌ时，在相对湿度１９％和７２％的空气中放电，臭氧的产生量分别为１０６ｐｐｍ和１２ｐｐｍ，差别较大。还有研究人员进行多种有机气体的去除，研究表明反应物本身分子大小是一个重要的影响参数。
结语
本文介绍了低温等离子体技术处理挥发性有机废气的基本概念、反应机理和目前的研究现状，探讨了影响处理效率的主要因素。目前来说，低温等离子体技术处理挥发性有机废气目前仍属于较新的环保治理技术，实验研究的多，实际应用的少，之后的研究方向，笔者认为应该着重深入分析低温等离子体处理VOCs的化学机理，并从放电方式、污染物种类、协同处理等角度探讨提高低温等离子体处理VOCs的途径。
参考文献：
[1]翁棣等.脉冲电晕法处理VOCs的研[M].浙江大学，2010.
[2]冯春杨等.脉冲电晕技术处理挥发性有机化合物的应用研究[J].中国工程物理研究院北京研究生部，2003.
[3]宋华，王保伟，许根慧.低温等离子体处理挥发性有机物的研究进展[J].化学工业与工程，2007，24（4）：356-361.
[4]熊举坤，黄海涛．高频感应耦合等离子体降解甲醛[J]．化工环保，2011，（2）：119-122.
论文作者:李中正
论文发表刊物:《基层建设》2019年第3期
论文发表时间:2019/4/25
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