阻挡放电——光催化法处理挥发性有机物的试验研究
摘要
气体放电法和光催化氧化法是近年来发展起来的处理挥发性有机化合物的新兴方法，目前还都处于试验研究阶段。与传统的处理方法相比，这两种方法具有工艺简单、成本低、无二次污染等特点。阻挡放电—光催化法是在以上两种方法的基础上探索出的一种新的发展方向，目的是将两种方法相结合，发挥各自的优势，从而达到更好的去除效果。本文以苯为处理对象，对阻挡放电—光催化法处理VOCs作了机理性的分析，总结了对反应产生影响的各种因素。
阻挡放电作为气体放电的一种形式，其本身就具有处理VOCs废气的能力，也是目前许多研究人员的主要研究方向。它主要是通过高能电子的轰击作用破坏VOCs分子的化学键，利用氧化性很强的·OH、·HO_2、·O自由基及O_3等对VOCs分子进行氧化，从而使VOCs最终降解为CO、CO_2、H_2O。试验结果表明，电场强度高，气体在反应器中停留时间长，有利于自由基的产生和苯的去除。
在试验过程中，通过改变反应器填料的材质和尺寸，对填料进行了优选，并总结出介质填料在反应过程中所起到的作用，分析了阻挡放电的原理。通过测定臭氧浓度来反映放电强度与氧等离子体浓度的关系。
文章还介绍了不同种类光催化剂的用途，重点介绍了纳米半导体的概念和纳米TiO_2的光催化原理，以及在它纳米尺度下所具有的各种效应。试验通过采用溶胶—凝胶法将纳米TiO_2均匀的涂在介质填料的表面，形成一层光催化剂薄膜，利用气体放电时产生的紫外光将光催化剂激发，对苯进行催化氧化。
The study of dielectric barrier discharge(DBD) and photocatalysis process is a new idea in volatile organic compounds(VOCs) controlling. These two methods have many advantages, such as simple technology and low costs etc. The purpose of this paper is to develop the advantages of two processes. We chose the benzene as the target, analysed the mechanism of DBD and photocatalysis process, summarized the factors which can influence the reactions of this process.
As a kind of gas discharge, DBD has ability to deal with the benzene itself. This process is also the main research direction of a lot of researchers at present. It can destroy the chemical bonds of benzene. The benzene will be transformed into pieces, then O3 and free radical such as OH,HO2 O can oxidize the pieces, finally the molecules of benzene are turned into CO CO2 and H2O. The result of the test shows, high electrostatic field strength, low velocity in reactor are suitable to remove benzene.
In the test of degradation of benzene, we optimised the dielectric stuffing by changing the size and material of stuffing, summarized the function of stuffing performed in the course of reacting, described the relation between intensity of discharge and density of plasma through determining the density of ozone.
The article introduces the use of different kinds of photocatalyst, and describes the concept of nanometer semiconductor and the catalysis principle of nanometer TiO2 especially. We enclosed TiO2 on the stuffing surface, then TiO2 formed a layer of membrane. When the photocatalyst was excited by the ultraviolet ray which was produced by gas discharge, it would catalyse and oxidize the pieces of benzene.
阻挡放电作为气体放电的一种形式，其本身就具有处理VOCs废气的能力，也是目前许多研究人员的主要研究方向。它主要是通过高能电子的轰击作用破坏VOCs分子的化学键，利用氧化性很强的·OH、·HO_2、·O自由基及O_3等对VOCs分子进行氧化，从而使VOCs最终降解为CO、CO_2、H_2O。试验结果表明，电场强度高，气体在反应器中停留时间长，有利于自由基的产生和苯的去除。
在试验过程中，通过改变反应器填料的材质和尺寸，对填料进行了优选，并总结出介质填料在反应过程中所起到的作用，分析了阻挡放电的原理。通过测定臭氧浓度来反映放电强度与氧等离子体浓度的关系。
文章还介绍了不同种类光催化剂的用途，重点介绍了纳米半导体的概念和纳米TiO_2的光催化原理，以及在它纳米尺度下所具有的各种效应。试验通过采用溶胶—凝胶法将纳米TiO_2均匀的涂在介质填料的表面，形成一层光催化剂薄膜，利用气体放电时产生的紫外光将光催化剂激发，对苯进行催化氧化。
The study of dielectric barrier discharge(DBD) and photocatalysis process is a new idea in volatile organic compounds(VOCs) controlling. These two methods have many advantages, such as simple technology and low costs etc. The purpose of this paper is to develop the advantages of two processes. We chose the benzene as the target, analysed the mechanism of DBD and photocatalysis process, summarized the factors which can influence the reactions of this process.
As a kind of gas discharge, DBD has ability to deal with the benzene itself. This process is also the main research direction of a lot of researchers at present. It can destroy the chemical bonds of benzene. The benzene will be transformed into pieces, then O3 and free radical such as OH,HO2 O can oxidize the pieces, finally the molecules of benzene are turned into CO CO2 and H2O. The result of the test shows, high electrostatic field strength, low velocity in reactor are suitable to remove benzene.
In the test of degradation of benzene, we optimised the dielectric stuffing by changing the size and material of stuffing, summarized the function of stuffing performed in the course of reacting, described the relation between intensity of discharge and density of plasma through determining the density of ozone.
The article introduces the use of different kinds of photocatalyst, and describes the concept of nanometer semiconductor and the catalysis principle of nanometer TiO2 especially. We enclosed TiO2 on the stuffing surface, then TiO2 formed a layer of membrane. When the photocatalyst was excited by the ultraviolet ray which was produced by gas discharge, it would catalyse and oxidize the pieces of benzene.
引文
1 马广人等编著．大气污染控制工程．北京：中国环境科学出版社，1985
2 郝吉明，马广大主编．人气污染控制工程(第二版)．北京：高等教育出版社，2002
3 杨津基编．气体放电．北京：科学出版社，1983
4 [美]H. J.怀特著，王成汗译．工业电收尘．北京：冶金工业出版社，1984
5 程秉珂等编．空气和废气监测分析方法．北京：中国环境科学出版社，1990
6 樊美公等著．光化学基本原理与光子学材料科学．北京：科学出版社，2001
7 储金宇等编．臭氧技术及应用．北京：化学工业出版社，2002
8 朱天乐主编．室内空气污染控制．北京：化学工业出版社，2002
9 李坚，马广大．电晕法处理易挥发性有机物的试验研究．环境工程，1999，17(3)：30-32
10 李坚，马广大．电晕法处理VOCs的机理分析与试验．西安建筑科技大学学报，2000，32(1)：24-27
11 蒋洁敏等．介质阻挡放电常压分解苯、二甲苯．中国环境科学，2001，21(6)：531-534
12 黄立维，谭天恩．三种电晕反应器去除有机废气比较．电工电能新技术，1998(1)：61-63
13 姜幺珍，郊雷．电晕-催化相结合降解二氯甲烷．催化学报，1997，18(4)：348-350
14 杨波等．测量介质阻挡放电功率的一种新方法．大连海事大学学报，2002，28(1)：92-96
15 乃强等．电晕-催化技术治理甲苯废气的试验研究．环境科学，1999，20(1)：11-14
16 陈士夫等．光催化降解甲苯的研究．淮北煤师院学报，1998，19(4)：32-35
17 黄立维等．高压脉冲电晕法治理有机废气试验研究．环境污染与防治，1998，20(1)：4-7
18 王银生等．脉冲电晕等离子体净化有机污染物甲苯的试验研究．同济大学学报，2000，28(6)：699-701
19 尚静等．TiO_2纳米粒子气—固复相光催化氧化VOCs作用的研究进展．环境污染治理技术与应用，2000，1(3)：67-76
20 颜秀如等．固定相TiO_2催化剂及其反应器研究进展．化工进展，2000(2)：12-14
21 徐卫军．TiO_2光催化降解有机物的动力学研究．甘肃工业大学学报，2000，26(2)：109-112
22 于向阳等．提高二氧化钛催化性能的途径．硅酸盐通报，2000(1)：53-57
23 苏文悦等．TiO_2光催化剂的光谱研究．光谱学与光谱分析，2001，21(1)：32-34
24 左言军等．TiO_2悬浮体系光催化降解反应动力学模型的建立．催化学报，2001，22(2)：198-202
25 傅嘉嫒等．臭氧分解的动力学和机理概述．四川环境，2001，20(3)：10-12
26 陈敏等．电介质的结构级别利性质．中山大学学报(自然科学版)，1998，37(6)：30-34
27 李文．关于电介质内部的极化电荷．辽宁大学学报，1997，24(2)：51-54
28 何恩广等．纳米界面性能在电介质科学中的应用．绝缘材料通讯，2000(4)：34-37
29 姜安玺等．空气污染控制．北京：化学工业出版社，2003
30 黄惠忠等．纳米材料分析．北京：化学工业出版社，2003
31 牛中奇等．电磁场理论基础．北京：电子工业出版社，2001
32 高濂等．纳米氧化钛光催化材料及应用．北京：化学工业出版社，2002
33 Misook Kang, Decomposition of toluene using an atmospheric pressure plasma/TiO_2 catalytic system. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical 180(2002) 125-132
34 Noel de Nevers, Air pollution control Engineering(second edition). McGraw-Hill, 2000
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38 Panagiotis Papaeflhimiou et al. Performance of doped Pt/TiO_2(W~(6+)) catalysts for combustion of volatile organic compounds (VOCs). Applied Catalysis B: Environmental, 1998(15): 75-92
39 田地等．碳黑改性二氧化钛对气相中甲苯的光催化降解．太阳能学报，2002，23(1)：66-69
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