等离子体处理有机废气技术综述

[摘要]本文旨在综述等离子体降解有机废气技术。阐述了等离子体的概念，讨论了等离子体处理有机废气的机理，又分别综述了联合处理VOCs废气技术的研究进展。最后提出了该项技术在有机废气治理领域的研究方向。

[关键字]低温等离子体；联合；研究方向

引言

目前对有机废气治理采用的处理方法主要有吸收、吸附、催化燃烧等，这些方法所用设备多、工艺繁、能耗大：而相对比较热门的生物处理法又面临占地面积大，易受负荷变化影响，微生物菌种筛选和驯化难度大等问题。而等离子体技术作为一种高效率、占地少、运行费用低、使用范围广的环保处理新技术已成为近年来的研究热点。

1.等离子体技术处理有机废气机理分析

1.1等离子体概念

等离子体就是处于电离状态的气体，其英文名称为plasma。等离子体是被称作除固态、液态和气态之外的第四种物质存在形态。它是由大量带电粒子（离子、电子）和中性粒子（原子、激发态分子及光子）和自由基组成的导电性流体，因其总的正、负电荷数相等，故称为等离子体。

按热力学平衡状态进行分类，等离子体可分为热力学平衡状态等离子体（高温等离子体）和非热力学平衡状态等离子体（低温等离子体）。非平衡等离子体较平衡等离子体易在常温常压下产生，因此在环保领域有着广泛的应用前景。以下等离子体处理技术即低温等离子体技术。

1.2等离子体处理有机废气的机理

虽然对低温等离子体去除污染物的机理还不清楚，但一般都认为是粒子间非弹性碰撞的结果。其降解机理可概括为：1、高能电子直接作用于有机废气分子，污染物分子受碰撞激发或离解形成相应的基团和自由基。2、高能电子与气态污染物中所含的空气、水蒸气和其它分子作用产生新的自由基和激发态物质活性粒子及氧化性极强的O3，将有机物彻底氧化。3、活性基团从高能激发态向下跃迁产生紫外光，紫外光直接与有害气体反应而使气体分子键断裂从而得以降解。

2.等离子体处理有机废气的工艺分析

2.1等离子体单独作用处理有机废气

早期通常是利用等离子体单独作用处理有机废气。根据等离子体反应装置的不同，目前常用的工艺是电子束照射法，介质阻挡放电和电晕放电。

2.2等离子体与其他处理技术联合工艺

为了降低能耗，提高处理效率，扩大可降解气态污染物的种类，等离子体与其它技术联合处理气态污染物是当前研究的热点。

2.2.1等离子体催化工艺

低温等离子体与催化相结合的工艺主要有一体式（催化剂置于等离子体反应器内）和分离式（催化剂置于等离子体反应器后）。催化剂主要有过渡族金属氧化物和光催化剂二氧化钛等。

目前低温等离子体催化处理技术已在净化机动车排气、烟气脱硫、脱除氮氧化物、降解挥发性有机化合物、去除毒性化合物都有相关研究，且都有着广阔的发展前景。北京工业大学“’一项技术被认为是处理低浓度、大流量有毒有害气体的最有效方法。

2.2.2离子体一吸附（吸收）工艺

等离子体与吸附相结合的工艺也分为两类：分离式（二个单元分别处理）和一体式（合并在单个单元内处理）。结合工艺的优点是：提高降解率，放电能量的有效利用率可望大大提高，促进反应朝有一利的方向发生，可以有效提高VOCs去除率，控制副产物。等离子体对吸附剂有一定的改性影响：放电产生时造成局部自由基的富集，强化微孔结构表面的多相降解反应；多孔性颗粒的表面在电子的撞击下也可能成为反应活性中心。目前使用广泛的吸附剂是活性炭。

中山大学的等离子体吸附结合的改进工艺在脱附再生过程中等离子体净化器对苯系物的去除率达80％以上。该工艺对于大风量、低浓度的有机废气净化效果好，二次污染小，设备投资和操作费用低，是一种有应用前景的技术。

2.2.3离子体一光降解工艺

离子体一光降解结合工艺可分为3类：①等离子体可以激发准分子紫外光源；②等离子体还可以与光催化剂结合协同处理；⑨等离子体可以外接UV工艺。以下就3种工艺的研究现状做简要介绍：

等离子体除单独讲解VOCs，还能激发惰性气体、惰性气体一卤素混合气体、汞一卤素混合气体产生准分子紫外辐射，发出的紫外光也可降解污染物。而等离子体与光催化剂协同工艺是在放电等离子体区域填充光催化剂（其典型是TiO2），以放电过程产生的大量活性物质驱动光催化剂，就可以实现光降解和等离子体降解的协同。该技术能提高装置的能量利用率和的VOCs去除率。Misook　Kang等人发现在等离子体反应器中加入TiO2甲苯转化率显著提高，13kV脉冲电压放电120min后，甲苯转化率可达70％，而没有TiO2时，仅为40％。对于等离子体外接UV工艺的研究，Falkenstein用发射光谱研究了DBD-UV协同作用所产生的·OH浓度，发现DBD-UV协同作用所产生的自由基浓度大于UV或DBD单独使用所产生的自由基浓度的总和。

2.2.4其他联合工艺

等离子体——铁电性物质联合技术，是在放电区域填充铁电性颗粒。当在填充床层上施加电压时，铁电性颗粒被极化，在颗粒接触点的周围形成很强的电场，局部电场强度被加强，导致局部放电。在一定的电压下，铁电性物质能提高反应器的能量利用效率，生成氧化能力更强的铁氧化物以提高VOC　s的去除率。但铁电性物质填充床的氧化反应选择性较低，能量利用效率有待提高，且反应伴随有副产物生成。

生化协同低温等离子体复合技术，将低温等离子体作为一些难生化降解VOCS的预处理技术，将其分解为易生化降解的VOCs小分子后再进行生化处理。该工艺可以很好地协调等离子体降解不充分及生物法难降解高分子有机物的矛盾。

3.总结

利用低温等离子体技术处理有机废气，处理效率高且运行费用高，足以显示其社会效益和经济效益；且低温等离子体与其它方法联合工艺处理VOCs的技术能够综合多种处理方法的优势，弥补单一方法的不足，是一项具有生命力的新技术。但该工艺仍存在机理研究，二次污染等不足，在以下几个方面还需进一步研究：放电过程中副产物的形成机理；填充物质与放电形式的匹配；处理各类气体的合适催化剂；等离子反应装置的整体研究。