四氯乙烯和间二甲苯混合降解的实验研究

四氯乙烯和间二甲苯混合降解的实验研究

蒸发有机化合物（vocs）是原油、化工、印刷、制鞋、喷漆等行业最常见的气污染物。这些化合物通常具有毒性，其中一些对人类的危害严重。与以往的处理技术相比，近年来开发出的低温辐射离子处理技术具有简单的工艺和低能耗的特点。对于低浓度的vocs投降，具有良好的处理效果。目前，相关研究主要集中在单一成分的vocs上，关于各种气的vocs氧化物的研究很少。然而，工业有机废水通常是各种有机污染物的混合体，气体成分相对复杂。因此，对各种混合态vocs污染物的分解研究具有重要的实用价值。将50Hz工频交流高压引入无声放电介质阻挡反应器,通过改变反应器的结构条件及供电参数对四氯乙烯/间二甲苯混合气体的降解特性进行实验研究.考察了两种高压电极结构、不同电极间距、放电电压、放电功率对混合气体降解率、降解效率的影响,并与单一组分污染物的降解特性进行了比较,探讨了混合气体在放电等离子体环境中同时去除的可能性.1实验方法1.1反应器放电特性配气系统将初始体积分数分别设为0.02%/0.02%,总流量为0.5L/min的四氯乙烯/间二甲苯混合气体引入反应器(填充气体为空气);反应器的接地电极和高压电极由50Hz交流高压电源(0～32kV)供电;高压放电后的分解特性由气相色谱仪(SRI8610C)监测反应器进口/出口浓度;利用数字示波器TDS2024B(采样速率2Gs/s,带宽200MHz)、脉冲电压探头HV-P60和脉冲电流探头P6021对放电特性进行观测;放电功率采用李萨如图形法进行测量.1.2金属网状外电极反应器(如图1)为一根直径可调.有效长度250mm的石英玻璃管,其外壁设有长度为200mm的金属网状外电极(接地电极).内电极采用直径5mm不锈钢棒和直径4.8mm带螺纹的不锈钢棒作为2种形式的高压电极;此外,实验还选用3种不同直径的石英玻璃管,以便调节电极间距(高压电极外侧到地电极的距离),石英玻璃管尺寸与电极间距的关系如表1所示.2结果与讨论2.1不锈钢棒电极降解四氯乙烯为了比较无声放电系统对混合气态污染物的降解作用,实验先考察了2种不同高压电极结构对单一组分气态污染物降解特性.四氯乙烯、间二甲苯降解率随施加电压、放电功率以及2种不同高压电极结构的改变特性如图2,图3所示.2种气体的初始体积分数均为0.02%,流量为0.5L/min,电极间距为5mm,停留时间为11.9s.随着峰值电压增大,2种气体的降解率也随之增加,当加至18.8kV时,不锈钢棒电极对四氯乙烯的最大降解率可达76%/间二甲苯为91%;而螺纹电极同电压时,对于四氯乙烯降解率为50%/间二甲苯为78%.从反应器的输入功率来看,螺纹钢棒电极场合,最大的输入功率可达3.8W,不锈钢棒电极的最大输入功率为3.5W.虽然螺纹钢棒电极较有利于能量的注入,然而就降解效率而言,螺纹电极时,四氯乙烯降解的能量效率为5.6g/(kW·h)/间二甲苯的为5.7g/(kW·h);而不锈钢棒电极时的能量效率可分别达到9.7g/(kW·h)和7.4g/(kW·h).观测发现相同电压下螺纹电极放电集中在螺纹边缘处,而不锈钢电极则比较均匀地分布于整个反应空间内,可使高能电子和活性粒子均匀地分布在整个放电空间,从而与污染物的碰撞几率比螺纹电极的要大,促进了化学降解反应,使得降解效果更为明显.另一方面,同等条件下,间二甲苯的降解率要高于四氯乙烯.这可能与间二甲苯中C6H5—CH3键能(389kJ/mol,相当于4.02eV)小于四氯乙烯中的C—Cl键能(400kJ/mol,4.13eV)有关.Urashima和Yamamoto通过对三氯乙烯和甲苯等VOCs气体的降解研究发现,有机物分子键的键能和活性粒子的能量决定有机物被降解的能力,键能越大,越不容易被降解.2.2间二甲苯和四氯乙烯将体积分数各为0.02%的间二甲苯/四氯乙烯混合气(填充气体为空气),总流量为0.5L/min引入反应器,其他实验条件同“2.1节”.混合污染物的降解率随不同高压电极、电压的变化特性如图4所示.除了可以得到与单独处理时相似的结论外,还发现混合气体中四氯乙烯的降解率比单独降解时有大幅的下降.单独处理时四氯乙烯最高降解率可达76%(不锈钢棒电极)和59%(螺纹钢棒电极),而在有间二甲苯存在的情况下,最高降解率下降到了27%(不锈钢棒电极)和20%(螺纹钢棒电极).间二甲苯受四氯乙烯的影响则并不明显,其降解率仅比单独处理时下降了2%(不锈钢棒电极)和15%(螺纹钢棒电极).Sugasawa等利用电介质填充床放电对二氯甲烷和甲苯混合气体进行降解时发现它们的降解效率与单独处理时并没有发生明显的变化.但本实验中四氯乙烯的降解受间二甲苯的影响却非常大,虽然其降解抑制原因,尚不清楚,有待进一步研究,但它说明气态混合物VOCs在放电等离子体环境中其降解特性受气体组分的不同而有较大影响.2.3电极间距和放电能量对vocs降解的影响反应器的电极间距和空间配置对于气态有机污染物的降解特性密切相关,间二甲苯/四氯乙烯混合气在不同电极间距下,其降解率与峰值电压的依存特性如图5所示.高压电极为不锈钢棒电极,其他实验条件同“2.2节”.电极间距由5mm增大到7.5mm和10mm后,气体的停留时间由11.9s相应地增大到了19.8s和28.3s.相同峰值电压18.8kV下,电极间距为7.5mm时,对四氯乙烯/间二甲苯的降解率由5mm的27%/89%下降到12%/46%,电极间距增大到10mm时,降解率下降到3%和15%.虽然电极间距增大,污染物在放电区内的滞留时间相应增加,有利于VOCs的降解反应,但是另一方面,相同电压下放电功率随电极间距加大而降低,而放电能量对VOCs的降解效果影响较大.当提高峰值电压时,反应器的注入能量相应增加,电极间距为7.5mm/10mm的条件下,峰值电压为21.2kV/26kV时,反应器分别达到最大放电功率5.0W/7.5W,混合气降解率可达20%(四氯乙烯)/81%(间二甲苯)和16%/73%,能量效率达6.4g/(kW·h)和3.3g/(kW·h)(见表2).由此可见,在本实验条件下,电极间距增大后,虽然提高了峰值电压,但混合VOCs的降解效果仍低于电极间距为5mm,峰值电压为18.8kV的场合.这一实验结果说明混合VOCs的降解特性还与放电等离子区的平均放电功率密度密不可分.根据本实验条件推算,电极间距为5mm/7.5mm/10mm反应器的最大放电功率所对应的放电区平均功率密度分别为155W/L,121W/L,115W/L.放电功率密度越大,VOCs的降解效果越好,因此,向反应器有效注入放电能量,提高放电区的平均注入功率密度,对于改善VOCs的去除效果具有非常重要的意义.3间二甲苯和不锈钢棒高压电极对放电等离子体环境的降解作用实验通过建立一个气态混合VOCs配气系统,将四氯乙烯/间二甲苯混合气引入无声放电反应器,施加工频正弦交流高压,并改变反应器的电极结构以及空间配置,对气态混合VOCs降解特性进行了研究,实验结果表明该无声放电系统对气态混合VOCs污染物具有明显的分解作用,其降解特性如下:1)气态混合物VOCs在放电等离子体环境中的降解特性与气体组分有关.与单一组分污染物的降解特性相比,四氯乙烯受混合气体的影响较大,最大降解率由单一组分时的76%下降到了27%.而间二甲苯的最高降解率则基本保持在90%左右.2)调整电极间距可以改变放电区域的注入功率密度,高压电极结构相同时,放电功率密度越大,VOCs的降解效果越好.实验中电极间