套管式DBD等離子體降解乙酸乙酯影響因素研究

魏 恒 董曉丹

寶武集團環境資源科技有限公司（上海 201900）

乙酸乙酯是常見的酯類化合物，屬于揮發性有機化合物（VOCs），是一種無色易燃易揮發的液體。乙酸乙酯性質穩定，在工業上應用廣泛，排入環境空氣中可對人們的生活和工作造成一定的影響，并對人體健康造成一定程度的危害，因而有關酯類工業廢氣的治理日益受到關注[1-7]。

介質阻擋放電（DBD）技術具有空間反應區域大，可在大氣壓強下工作，可防止在放電空間形成局部火花或弧光放電，有效降低能耗等優點，具有良好的工業化應用前景[8-10]。

本研究采用套管式DBD低溫等離子技術對流動態乙酸乙酯廢氣進行降解，研究了管道風速、外施電壓、反應管級數、工作頻率等工藝參數對乙酸乙酯去除率的影響，提出了優化的工藝運行條件。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品和儀器

1.1.1 氣體和試劑

高純氮（載氣）：純度≥99.999%，上海浦江特種氣體有限公司；空氣：上海五鋼氣體有限責任公司。工業氫氣：純度≥99.5%，上海中遠化工有限公司；乙酸乙酯：純度≥99.5%，上海試劑一廠。

1.1.2 實驗儀器

GC930氣相色譜儀：上海海欣色譜儀器有限公司；CZR型離心引風機（功率為60 W），上海興益風機廠；QDF-3型熱球式風速計，北京檢測儀器有限公司；2XZ-4型旋片式真空泵，上海真空泵廠有限公司。

自制等離子體反應管：由內、外兩根石英玻璃管組成，外管內徑為52 mm，內管外徑為35 mm，厚度均為2 mm；內電極為不銹鋼片，緊貼內管內壁；外電極由外壁纏繞16圈不銹鋼條（寬度為5 mm，厚度為0.3 mm，纏繞間隙為6 mm）的石英管組成。

自制等離子體電源：輸出電壓在0.5～20 kV之間可調，工作頻率分為14 kHz和18 kHz兩檔。

1.2 實驗裝置與方法

1.2.1 實驗流程

如圖1所示實驗流程，10根沖擊式采樣管（10 mL）內裝液態乙酸乙酯，置于由冰水控制溫度的恒溫水浴中，以空氣為載氣，其在引風機的作用下由管道自上而下進入等離子體發生管內。乙酸乙酯分子與發生管中的各種高能帶電粒子、自由基等發生化學反應，從而被去除。

分別在氣路進口、等離子體反應管后設取樣孔，采用氣相色譜儀檢測乙酸乙酯處理前后的質量濃度，并計算其降解率。

1.2.2兩級等離子體反應管的連接

如圖2所示，反應管A，B通過彎頭（內徑為59mm，外徑為63 mm的聚氯乙烯管相連接）。乙酸乙酯蒸汽自上而下分別通過A管、B管。抽風機連接在B管后，以抽氣形式使氣體依次通過兩根反應管，管內為負壓。分別在氣路進口、A管后B管前、B管后取樣，送去檢測儀器進行分析。

圖1 實驗流程

圖2 兩級等離子體反應管串聯圖

由于等離子體反應管放電會使管路溫度升高，影響風速大小，故取樣時應提前開啟等離子體反應管0.5 h以上，以消除其對風速的影響。待裝置運行穩定后，采用真空泵進行取樣。

本實驗中，氣相色譜儀的各項參數設置如下：色譜柱溫度為120℃，汽化室溫度為170℃；放大倍數為10倍；氮氣壓力為0.1 MPa，氫氣壓力為0.1 MPa，空氣壓力為0.07 MPa。

2 結果與討論

2.1 風速對乙酸乙酯降解率的影響

風速是影響污染物降解率的重要因素之一，主要影響氣體在反應管內的停留時間。固定乙酸乙酯的進氣質量濃度為500 mg/m3、外施電壓為14 kV、工作頻率為14 kHz，調節風速在0.5～2.5 m/s內變化，考察乙酸乙酯降解率隨風速的變化情況，結果如圖3所示。

圖3 風速對乙酸乙酯降解率的影響

由圖3可知，當風速增大時，乙酸乙酯的降解率降低。當風速從0.5 m/s增加至2.5 m/s時，乙酸乙酯去除率從66%下降至23%。可見，風速變化通過影響污染物在反應管中的停留時間，從而對其降解率產生影響。在輸入能量一定時，風速越大，氣體停留時間越短，乙酸乙酯分子與高活性粒子的碰撞幾率也就越小，最終導致降解乙酸乙酯分子數量的減少。

2.2 外施電壓對乙酸乙酯降解率的影響

固定風速為0.5 m/s、乙酸乙酯質量濃度為500 mg/m3、工作頻率為14 kHz，通過調節反應管外施電壓，考察電壓對乙酸乙酯降解率的影響，結果如圖4所示。

圖4 外施電壓對乙酸乙酯降解率的影響

由圖4可知，當外施電壓從10 kV增大至16 kV時，降解率先增大后減小，在13～14 kV之間達到峰值。

電壓升高有助于活性粒子與氣體分子的碰撞，強化能量傳遞。Futamura等[11]認為，在等離子體中，能量的傳遞是不充分的，電壓過高會影響能量向氣體分子的傳遞，此時氣體分子加速運動且撞擊管壁的次數增多，使能量從動能轉化為熱能。因此，實際應用中，應選擇最佳電壓，以使能量傳遞更加有效。

2.3 單級反應管與兩級反應管串聯對乙酸乙酯降解率的影響

固定風速為0.5 m/s、乙酸乙酯質量濃度為500 mg/m3、外施電壓為14 kV、工作頻率為14 kHz。檢測時，先開啟A管、關閉B管，測定A管對乙酸乙酯的去除率；再關閉A管、開啟B管，測定B管對乙酸乙酯的去除率；最后，同時開啟兩根反應管，測定兩根反應管串聯時乙酸乙酯的去除率。實驗結果如圖5所示。

圖5 兩級串聯和單管工作對比情況

由圖5可以看出，反應管A，B的串聯裝置對乙酸乙酯的降解率可達82%，優于反應管單獨作用時的降解率。出現該結果的原因在于：（1）在本實驗體系中，氣體在等離子體反應管內的停留時間很短（不到1 s），反應體系中產生的活性碎片及臭氧等未充分反應即進入第二級反應管，從而獲得了進一步反應的場所和時間；（2）第二級反應管不僅對乙酸乙酯進行解離，還對反應體系中的活性組分進行二次激發，從而提高了乙酸乙酯的反應幾率。Harling等[12]分別以甲苯和乙烯為目標污染物，經研究發現，多級非平衡等離子體反應管的去除效果與單級反應管相比有質的飛躍。本實驗中，兩級等離子體反應管串聯使用對乙酸乙酯的處理效率高于兩根反應管單獨工作時的效率，與其研究結果相符。

2.4 能耗效率比較

為考察套管式DBD等離子體的能耗效率，電源工作狀態分別設置為兩種工作模式：（1）低頻高壓模式，工作頻率為14 kHz、外施電壓為14 kV；（2）高頻低壓模式，工作頻率為18 kHz、外施電壓8 kV。

固定風速為0.5 m/s，乙酸乙酯濃度質量為500 mg/m3，兩種工作模式下乙酸乙酯的降解情況如圖6所示。

圖6 等離子體電源工作頻率對降解乙酸乙酯的影響

由圖6可以看出，輸入電壓提高后，雖然工作頻率有所降低，但乙酸乙酯的降解率仍有較大提高。相較于電源工作頻率，外施電壓對乙酸乙酯降解率的影響更為明顯。原因為：隨著外施電壓的升高，反應系統的放電功率及電場的能量密度明顯提高，即放電系統的能量不斷增加。能量密度增大，則體系中產生的高能電子和活性基團的數目不斷增加，因而污染物與活性粒子的碰撞幾率不斷增加，參與反應的污染物分子數目也相應增加；而在同一初始質量濃度條件下，污染物分子總數保持不變，因此，被轟擊降解的污染物分子比例不斷增加，從而使降解率不斷提高。郭玉芳等[13]在研究DBD降解NOx時也曾得出類似的結論。

3 結論

風速越低越有利于乙酸乙酯的降解；隨外施電壓的提高，乙酸乙酯降解率呈現先升高后降低的趨勢，在13～14 kV內存在最佳工作電壓。

串聯反應管有助于提高乙酸乙酯的降解率，兩級串聯裝置的降解率可達82%。相較于電源工作頻率，外施電壓對乙酸乙酯降解率的影響更為明顯，與高頻低壓模式相比，低頻高壓模式下乙酸乙酯的降解率提高了38%。

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