CN112076596A - 基于介质阻挡放电的有机废气降解方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及等离子体技术领域，公开了一种基于介质阻挡放电的有机废气降解方法。该降解方法采用介质阻挡放电低温等离子反应器，所述介质阻挡放电低温等离子体反应器内具有含氟材料涂层。本发明提供的方法能够有效减少能耗提升有机废气的降解效率，实现尾气达标排放。

Description

基于介质阻挡放电的有机废气降解方法
技术领域
本发明涉及等离子体技术领域，具体涉及一种基于介质阻挡放电的有机废气降解方法。
背景技术
工业有机废气中的主要危害物为挥发性有机化合物(VOCs,volatile organiccompounds)，由于这些VOCs的直接排放造成严重的环境问题，例如，光化学烟雾、雾霾等。
低温等离子体法是利用气体放电产生高活性粒子(包括电子、离子、自由基和激发态分子等)与有机污染物发生氧化反应，最终产物主要为CO2和H2O。低温等离子体法具有工艺简单、运行管理方便等优势，而其中的介质阻挡放电方式还具有不易击穿，安全稳定性好等优点，因此，对于工业上气量大、浓度低(<3000mg/m3)且无回收价值的VOCs废气多采用介质阻挡放电的低温等离子体进行处理。而研究发现，对于VOCs中较难分解的苯，当其浓度为300-1600mg/m3时，通过介质阻挡放电等离子体处理后降解率一般不超过70％，无法实现尾气达标排放，此外还伴有多种副产物的生成，生成的副产物在反应器管壁内积聚带来安全隐患。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的挥发性有机化合物在经介质阻挡放电处理后降解率不达标的问题，提供一种基于介质阻挡放电的有机废气降解方法，该方法能够有效提高介质阻挡放电低温等离子体内的活性粒子浓度，从而提升有机废气的降解效率，实现尾气达标排放。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于介质阻挡放电的有机废气降解方法，所述降解方法采用介质阻挡放电低温等离子反应器，所述介质阻挡放电低温等离子体反应器内具有含氟材料涂层。
优选地，所述含氟材料涂层位于介质阻挡放电低温等离子体反应器内的电极表面和/或介质阻挡放电低温等离子体反应器内表面上。
优选地，所述含氟材料涂层位于所述介质阻挡放电低温等离子反应器的阻挡介质表面上。
优选地，通过物理喷涂得到所述含氟材料涂层。
优选地，所述物理喷涂的含氟材料为含氟高分子材料。
优选地，所述含氟高分子材料为聚四氟乙烯、聚偏氟乙和四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物中的一种或多种。
优选地，所述阻挡介质为石英、陶瓷或刚玉。
优选地，通过化学修饰得到所述含氟材料涂层。
优选地，所述化学修饰的含氟材料为含氟有机物。
优选地，所述含氟有机物为全氟烷氧基硅烷。
优选地，所述阻挡介质为石英。
优选地，所述含氟材料涂层的厚度为0.01-0.2mm。
本发明的降解方法，通过介质涂覆叠加的方法直接改造介质阻挡等离子体反应器，改变放电电场强度，提高活性粒子浓度，从而提升有机废气的降解效率。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1a为本发明一实施例提供的介质阻挡放电低温等离子反应器的结构示意图；图1b为本发明另一实施例提供的介质阻挡放电低温等离子反应器的结构示意图；
图2为采用本发明一实施例提供的介质阻挡放电低温等离子反应器的电学特性示意图；
图3为采用本发明一实施例提供的介质阻挡放电低温等离子反应器的苯降解率示意图。
附图标记说明
1、管式高压电极 2、接地电极
3、阻挡介质管 4、含氟材料涂层
5、进气口 6、出气口
7、放电区域
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指附图中的上、下、左、右，“内、外”是指对应结构的内部和外部。
本发明中的有机废气为挥发性有机物VOCs(volatile organic compounds)，是一类常温下饱和蒸汽压大于70Pa、常压下沸点不高于260℃的有机化合物，检出的VOCs约150余种。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于介质阻挡放电的有机废气降解方法，所述降解方法采用介质阻挡放电低温等离子反应器，所述介质阻挡放电低温等离子体反应器内具有含氟材料涂层。
本发明通过在现有的介质阻挡放电低温等离子体反应器内增加含氟材料涂层，通过含氟材料涂层直接影响电场的强度以及气体电离产生的活性粒子的浓度，改变反应器内的放电电场以及提高活性粒子浓度，从而有效提升基于介质阻挡放电降解有机废气的效率。
在本发明的方法中，对于含氟材料涂层的位置没有特别的限定，能够实现影响电场的强度以及气体电离产生的活性粒子的浓度即可，优选地，所述含氟材料涂层位于介质阻挡放电低温等离子体反应器内的电极表面和/或介质阻挡放电低温等离子体反应器内表面上。图1a是本发明一实施例提供的介质阻挡放电低温等离子反应器的结构示意图。如图1a所示，本发明提供的介质阻挡放电低温等离子反应器为同轴管式介质阻挡放电低温等离子反应器，包括高压电极、接地电极、阻挡介质管，其中，位于中心的管式高压电极1同轴地套在阻挡介质管3内，接地电极2包裹在阻挡介质管3的外壁上，阻挡介质管3的外壁上设有进气口5和出气口6，位于中心的管式高压电极1的外壁与阻挡介质管3的内壁之间的间隙形成放电区域7，具体地，在本发明的一个实施方式中，含氟材料涂层4位于介质阻挡放电低温等离子体反应器内的高压电极表面上；在本发明的另一个实施方式中，含氟材料涂层4位于介质阻挡放电低温等离子体反应器内的高压电极外阻挡介质管表面上；在本发明的另一个实施方式中，含氟材料涂层4位于介质阻挡放电低温等离子体反应器内表面上；在本发明的另一个实施方式中，含氟材料涂层4 同时位于介质阻挡放电低温等离子体反应器内的高压电极表面和介质阻挡放电低温等离子体反应器内表面上；在本发明的另一个实施方式中，含氟材料涂层4同时位于介质阻挡放电低温等离子体反应器内的高压电极外阻挡介质管表面和介质阻挡放电低温等离子体反应器内表面上。图1b为本发明另一实施例提供的介质阻挡放电低温等离子反应器的结构示意图。如图1b所示，本发明提供的介质阻挡放电低温等离子反应器为排管式介质阻挡放电低温等离子反应器，由等间距的套有介质管的电极组成，其间距为0.5-4mm，具体地，含氟材料涂层4位于介质阻挡放电低温等离子体反应器内的电极外介质管表面上。
优选地，所述含氟材料涂层位于阻挡介质表面。具体地，如图1a所示，含氟材料涂层4位于介质阻挡放电低温等离子体反应器内的电极外介质管表面上。
对于含氟材料涂层的获得方式没有特别的限定，优选地，可以通过物理喷涂得到所述含氟材料涂层，根据需要可以进行一次或多次物理喷涂。具体地，可以通过物理喷涂待改造的部件和/或阻挡介质表面实现。
对于上述物理喷涂的含氟材料没有特别的限定，优选采用含氟高分子材料，更优选为聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)和四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物(PFA)中的一种或多种。
对于上述待物理喷涂的阻挡介质的材质没有特别的限定，可以为本领域常规采用的绝缘介质，优选为石英、陶瓷或刚玉。
对于含氟材料涂层的获得方式，优选地，通过化学修饰得到所述含氟化合物涂层。上述化学修饰可以通过表面氧化法或接枝改性法处理使待改造的部件和/或阻挡介质表面，生成一层稳定的含氟分子层(含氟材料涂层)，根据需要可以进行1次或多次化学修饰。具体地，可以利用含氟化合物有机物的溶液与阻挡介质表面发生化学反应，或者通过外部激发将含氟化合物分子引入介质表面，其中，外部激发可以通过电解、等离子体放电等方式实现。
对于上述化学修饰的含氟材料没有特别的限定，优选采用含氟有机物，更优选为全氟烷氧基硅烷。
对于上述待化学修饰的阻挡介质的材质没有特别的限定，可以为本领域常规采用的绝缘介质，优选为石英。
通过上述物理喷涂或化学修饰得到的介质阻挡放电低温等离子体反应器即可用于有机废气的降解。
为了进一步实现改变放电电场，提高活性粒子浓度，在本发明的方法中，优选地，所述含氟材料涂层的厚度为0.01-0.2mm；更优选地，所述含氟材料涂层的厚度为0.01-0.1mm。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中，如无特别说明，所用的各材料均可通过商购获得，如无特别说明，所用的方法为本领域的常规方法。
实施例
以图1a中的同轴管式介质阻挡放电低温等离子反应器，其中，中心套有介质管的高压电极1同轴地套在阻挡介质管3(具体为石英)内，接地电极2包裹在阻挡介质管3的外壁上，阻挡介质管3的外壁上设有进气口5和出气口6，位于中心套有介质高压电极1的外壁与阻挡介质管3的内壁之间的间隙形成的放电区域7，含氟材料涂层4位于管式高压电极1外介质管的表面上。
采用物理喷涂方式喷涂PFA，其中，同轴管式介质阻挡放电低温等离子反应器的外管内径为18mm，阻挡介质层为2mm，内管外径为12mm，阻挡介质层为2mm，内介质管内填充铁粉作为高压电极，涂层4的厚度为 0.05mm。
测试例1电学性能测试
通过与未涂覆的同轴管式介质阻挡放电低温等离子反应器进行电学性能测试，结果见图2。
通过图2可知：在频率为3.8kHz的脉冲电源驱动下，PFA涂覆的介质阻挡放电低温等离子反应器获得的电注入功率均小于未涂覆的介质阻挡放电低温等离子反应器，这就意味着PFA涂覆的介质阻挡放电低温等离子反应器的能耗要小于未涂覆的介质阻挡放电低温等离子反应器。
测试例2降解效率测试
以6.5L/min的流速通入380ppm苯，在脉冲电源频率为3.8kHz，注入能量为746J/L时，通过与未涂覆的同轴管式介质阻挡放电低温等离子反应器进行降解效率测试，结果见图3。
Figure 3
通过图3可知：对于PFA涂覆的介质阻挡放电低温等离子反应器，在脉冲电源频率为3.8kHz条件下，注入能量为746J/L时，PFA涂覆和未涂覆的苯降解效率分别为65％和50％；增加电压，注入能量为850J/L时，PFA 涂覆和未涂覆的苯降解效率分别为70％和55％。这说明涂覆的比未涂覆的降解效率高15％左右。
本发明提供的降解方法，通过新介质涂覆叠加的方法直接改造介质阻挡等离子体反应器，改变放电电场，提高活性粒子浓度，从而提升有机废气的降解效率。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于介质阻挡放电的有机废气降解方法，其特征在于，所述降解方法采用介质阻挡放电低温等离子反应器，所述介质阻挡放电低温等离子体反应器内具有含氟材料涂层。
2.根据权利要求1所述的基于介质阻挡放电的有机废气降解方法，其特征在于，所述含氟材料涂层位于介质阻挡放电低温等离子体反应器内的电极表面和/或介质阻挡放电低温等离子体反应器内表面上。
3.根据权利要求1所述的基于介质阻挡放电的有机废气降解方法，其特征在于，所述含氟材料涂层位于所述介质阻挡放电低温等离子反应器的阻挡介质表面上。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的基于介质阻挡放电的有机废气降解方法，其特征在于，通过物理喷涂得到所述含氟材料涂层。
5.根据权利要求4所述的基于介质阻挡放电的有机废气降解方法，其特征在于，所述物理喷涂的含氟材料为含氟高分子材料；
优选地，所述含氟高分子材料为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的基于介质阻挡放电的有机废气降解方法，其特征在于，所述阻挡介质为石英、陶瓷或刚玉。
7.根据权利要求1-3中任意一项所述的基于介质阻挡放电的有机废气降解方法，其特征在于，通过化学修饰得到所述含氟材料涂层。
8.根据权利要求7所述的基于介质阻挡放电的有机废气降解方法，其特征在于，所述化学修饰的含氟材料为含氟有机物；
优选地，所述含氟有机物为全氟烷氧基硅烷。
9.根据权利要求8所述的基于介质阻挡放电的有机废气降解方法，其特征在于，所述阻挡介质为石英。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的基于介质阻挡放电的有机废气降解方法，其特征在于，所述含氟材料涂层的厚度为0.01-0.2mm。
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