DDBD等離子體降解甲硫醇影響因素研究

張寶林 依蓉婕 姜苗 孟祥天 依成武

摘 要：采用雙介質阻擋放電（DDBD）等離子體對甲硫醇（CH3SH）模擬廢氣進行降解研究，探討了放電電壓、放電頻率、入口濃度、氣體流量和O2含量等工藝參數對CH3SH降解效果的影響規律。結果表明：CH3SH降解率可隨電壓的增大迅速升高，但電壓增大的同時也會增加能耗。實驗中不同電壓下的CH3SH降解率均可在放電頻率為8.01 kHz時達到最高。CH3SH入口濃度和氣體流量的提升都會使CH3SH的降解率有所下降，這個現象在較低電壓下表現得更為明顯。一定范圍內的O2含量對CH3SH的降解會起積極作用，本實驗中最適宜的O2含量為10%。

關鍵詞：雙介質阻擋放電;甲硫醇;降解;影響因素

城市化和工業化帶來巨大經濟效益的同時，也造成了嚴重的大氣污染問題。甲硫醇（CH3SH）是一種典型的含硫揮發性有機污染物（SVOC），具有來源廣泛、嗅閾值低、高毒性以及易燃易爆的特點[1-4]，它的存在對自然環境和人體都會造成巨大威脅，因此研究CH3SH尾氣的處理具有重要的現實意義。低溫等離子體法是一種集物理、化學和環境工程于一體的綜合性新興有機廢氣處理技術，與傳統有機廢氣處理技術相比具有設備簡單、高效靈活等優勢[5，6]。近年來，低溫等離子體技術成為國內外最有發展潛力的有機廢氣降解技術之一。本研究采用雙介質阻擋放電（DDBD）等離子體對模擬CH3SH廢氣進行降解，考察了放電電壓、放電頻率、入口濃度、氣體流量和O2含量等工藝參數對CH3SH降解效果的影響規律，以求為DDBD降解CH3SH的實際應用提供試驗依據。

1 實驗部分

1.1 實驗氣體和儀器

實驗氣體：CH3SH標準氣體（2000 ppm CH3SH/N2，濟南德洋特種氣體有限公司）;高純O2（上海浦江特種氣體有限公司）;高純N2（上海浦江特種氣體有限公司）。

實驗儀器：雙介質阻擋放電等離子體反應器（定制，南京珀斯佩特電子科技有限公司）;低溫等離子體實驗電源（CTP-2000K，南京蘇曼電子有限公司）;數字示波器（Tektronix DPO 2014b，泰克科技有限公司）;調壓器（TDGC2，浙江正泰電器股份有限公司）;O3分析儀（3S-J5000，北京同林臭氧有限公司）;氣體檢測儀（IQ-1000，美國IST）。

1.2 實驗系統

DDBD降解CH3SH實驗系統流程圖如圖1所示，三路氣體后均連接一個轉子流量計，通過調節流量計可以調配不同濃度不同流量的CH3SH模擬廢氣，氣體進入混氣罐充分混合后進入DDBD反應器。DDBD反應器以石英玻璃管作為放電介質，外管外徑25 mm，壁厚2.5 mm，內管外徑8 mm，壁厚1.5 mm，內管中填充鋁粉和金屬作為接地極，外管外纏繞不銹鋼高壓電極網作為高壓電極，反應器單邊放電間隙為6 mm，有效放電長度為150 mm。氣體檢測儀用于檢測進出口的CH3SH濃度，O3分析儀用于檢測尾氣中O3濃度。

1.3 實驗中涉及的計算

式中，η表示CH3SH降解率;Cin和Cout分別表示反應前反應器入口處CH3SH的濃度（ppm）和反應后反應器出口處CH3SH的濃度（ppm）;P表示放電功率（W）;f表示放電頻率（kHz）;Cm表示電容（μF），取值0.47;S表示李薩如圖形面積;SIE表示能量密度，反映了反應器中注入能量的大小（J/L）;Q表示氣體流量（L/min）;EY表示能量效率，反映了降解單位質量污染物所需要的能量（g/kWh）;M表示CH3SH的相對分子質量（g/mol），取值48。

2 結果與討論

若無特殊說明，則實驗條件為固定放電頻率8.01 kHz，氣體（以CH3SH標準氣體、高純N2和高純O2調配的含氧量為10%，濃度為400 ppm的CH3SH模擬廢氣）通過流量4 L/min。

2.1 放電電壓對甲硫醇降解效果的影響

電壓是影響CH3SH降解率的重要因素。如圖2所示為不同電壓下CH3SH模擬廢氣的降解率和反應器的能量效率。由圖可知，CH3SH的降解率隨電壓的增大而升高，這是因為電壓升高，反應器中產生了更多的活性粒子，增加了和CH3SH分子碰撞的概率。而與CH3SH的降解率相反，反應器的能量效率隨電壓的升高反而降低。原因在于隨著電壓的升高，只有部分能量被用于CH3SH的降解，而其余的能量均被用于移動電子以提高反應器的溫度或產生光子和光副產物[7]。

2.2 放電頻率對甲硫醇降解效果的影響

放電頻率也同樣是影響反應器放電的重要參數。如圖3所示為不同電壓下CH3SH降解率隨放電頻率的變化曲線圖。

可以看到在相同電壓下，CH3SH降解率隨放電頻率呈現出先增大后減小的趨勢，在頻率為8.01 kHz時，三個不同電壓條件下的CH3SH降解率均達到最大值。因此，本實驗中取8.01 kHz。

2.3 入口濃度對甲硫醇降解效果的影響

通過調節三種氣體的流量調配出含氧量10%的不同濃度的CH3SH模擬廢氣，測得它們在不同電壓下的降解率，研究初始入口濃度對CH3SH降解效果的影響，結果如圖4所示。

可以發現相同電壓下，CH3SH的降解率隨著濃度的升高而降低;相同濃度下，CH3SH的降解率隨電壓的增大而升高。這是因為電壓一定時，反應器內活性粒子的數目也是一定的，在初始濃度較低的情況下，活性粒子的數量遠大于進入反應器內CH3SH分子的數量。而隨著濃度的升高，反應器的負荷增加，使得每個CH3SH分子所能接觸到的活性粒子數量下降。

2.4 氣體流量對甲硫醇降解效果的影響

通過調節三種氣體的流量調配出總流量為2 L/min、4 L/min和6 L/min的CH3SH模擬廢氣，考察它們在不同電壓下降解率的趨勢變化，結果如圖5所示。

由圖5可知，當氣體流量一定時，CH3SH的降解率隨電壓的增大而升高，這和2.1節得出的結果一致。但同一電壓下，氣體流量的增大卻會使CH3SH降解率下降，并且這種趨勢在較低電壓下表現得更為明顯。這是因為流量越大，CH3SH分子在反應器中停留的時間也就越短，導致反應不充分，因此，CH3SH的降解率會隨氣體流量的增大而降低。

2.5 O2含量對甲硫醇降解效果的影響

通過調節三種氣體的流量調配出含氧量分別為0%、5%、10%、15%和20%的CH3SH模擬廢氣，研究不同的含氧量對CH3SH廢氣降解效果和尾氣中O3濃度的影響，結果如圖6所示。

從圖6可以看到O2含量的增加對CH3SH的降解起到了積極的作用，但O2含量的增加也同時意味著尾氣中O3濃度的升高。一方面O3可以降解CH3SH，但另一方面O3排放到大氣環境會形成二次污染，所以在采用低溫等離子體處理VOCs時要盡量控制尾氣中的O3含量。

3 結論

CH3SH的降解率會隨放電電壓的增大而升高，但電壓升高的同時也會造成較高的能耗，因此實際應用中要綜合CH3SH降解率和能耗兩個方面選擇合適的工作電壓。由于串聯諧振現象的存在，CH3SH降解率在某一放電頻率會達到最大值，本實驗中取值8.01 kHz。CH3SH入口濃度和總氣體流量的增大會降低CH3SH的降解率，這種現象在低電壓下表現得更為明顯。一定程度的O2含量有利于CH3SH模擬廢氣降解反應的發生，但O2濃度過高會使高能電子湮滅，還會提高尾氣中O3的濃度，本實驗中最適宜的O2含量約為10%。此時在16 kV的電壓下，CH3SH降解率可以達到70.3%，同時O3濃度不至于過高。

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[7]Yixing Ma， Xueqian Wang， Ping Ning， et al. Conversion of COS by corona plasma and the effect of simultaneous removal of COS and dust[J]. Chemical Engineering Journal， 2016， 290： 328-334.

作者簡介：張寶林（1974.01-），男，漢族，江蘇鎮江人，主任，高級工程師，碩士，主要從事環境污染物治理工程與技術研究

通訊作者簡介：依成武（1966.08-），男，漢族，遼寧大連人，教授，博士生導師，博士，主要從事強電離放電降解環境有機污染物研究。