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摘要：低溫等離子體-催化協同凈化技術是一項全新的處理技術，具有能耗低，處理效率高等優點，在處理VOCs、氮氧化物、機動車尾氣方面都有著廣闊的發展前景，但實際應用還很不成熟，需要加大力量進行更加深入的理論和實踐研究，低溫等離子體協同催化凈化技術將在廢氣治理領域發揮重要的作用。

關鍵詞：低溫等離子體；協同作用；大氣污染控制

Abstract：Asanewprocesstechnology,Catalysis-assistednon-thermalplasmatechniquehasitsadvantages,suchaslessenergyconsumption,higherremovalefficiency,etc.ThetechniqueintreatingVOCs，NOxandengineoff-gaseshavelargedevelopmentprospects.Becauseoftheimmaturepracticalapplication,itneedtoincreaseeffortstoconductmorein-depththeoreticalandpracticalresearch.Catalysis-assistednon-thermalplasmatechniquewillbeabletoplaytheimportantroleinthetreatmentofwastegases.

Keywords：non-thermalplasma；synergisticeffect；airpollutioncontrol

目前，各種有毒有害氣體的排放已造成嚴重的環境污染。低濃度有害氣態污染物（如SO2、NOx、VOCs、H2S等）廣泛地產生于能源轉化、交通運輸、工業生產等過程中。國際條例加強了對這些有害廢氣的限制。傳統的治理方法如液體吸收法、活性炭吸附法、焚燒和催化氧化等已很難達到國際排放標準[1]。

近年來興起的低溫等離子體催化（non-thermalplasmacatalysis）技術解決了傳統的凈化方法所不能解決的問題。用該項技術處理有機廢氣具有以下優點：①能耗低，可在室溫下與催化劑反應，無需加熱，極大地節約了能源；②使用便利，設計時可以根據風量變化以及現場條件進行調節；③不產生副產物，催化劑可選擇性地降解等離子體反應中所產生的副產物；④不產生放射物；⑤尤其適于處理有氣味及低濃度大風量的氣體。但以下兩方面還有待改進：①對水蒸氣比較敏感，當水蒸氣含量高于5%時，處理效率及效果將受到影響；②初始設備投資較高。該項技術在環境污染物處理方面引起了人們的極大關注，被認為是環境污染物處理領域中很有發展前途的高新技術之一。本文將探討其與污染氣體的作用過程及兩者協同作用機理，并概述這一技術在廢氣治理方面的進展。

1低溫等離子體技術原理與協同作用機理

1.1低溫等離子體技術原理

等離子體是含有大量電子、離子、分子、中性原子、激發態原子、光子和自由基等組成的物質的第四種形態。其總正負電荷數相等宏觀上呈電中性，但具有導電和受電磁影響的性質，表現出很高的化學活性。根據體系能量狀態、溫度和離子密度，等離子體通?？煞譃楦邷氐入x子體和低溫等離子體（包括熱等離子體和冷等離子體）。高溫等離子體的電離度接近，各種粒子的溫度幾乎相同，并且體系處于熱力學平衡狀態，它主要應用于受控熱核反應研究方面。低溫等離子體則處于熱力學非平衡狀態，各種粒子溫度并不相同。

低溫等離子體可通過前沿陡、脈寬窄（納秒級）的高壓脈沖放電在常溫常壓下獲得，其中的高能電子和O、OH等活性粒子可與各種污染物如CO、HC、NOX、SOX、H2S、RSH等發生作用，轉化為CO2、H2O、N2、S、SO2等無害或低害物質，從而使廢氣得到凈化。它可促使一些在通常條件下不易進行的化學反應得以進行，甚至在極短時間內完成，故屬低濃度VOCs治理的前沿技術。

1.2協同作用機理

低溫等離子體和催化協同作用處理廢氣的主要原理如下：等離子體中可源源不斷地產生大量極活潑的高活性物種，這在普通的熱化學反應中不易得到，這些活性物種(特別是高能電子)含有巨大的能量，可以引發位于等離子體附近的催化劑，并可降低反應的活化能。同時，催化劑還可選擇性地促進等離子體產生的副產物反應，得到無污染的物質。但是目前國內外在等離子體和催化協同作用機理方面的分析和研究比較少，在這方面的認識還遠遠不夠。

有學者認為，固相催化劑的活性是由它們的化學和物相組成，晶體結構以及活性比表面所決定。在等離子體的作用下，催化劑表面將形成超細顆粒(平均顆粒直徑為5-500nm，比表面約為100m2/g)，這將大大增加催化劑的比表面積，并且破壞催化劑的晶體結構，擁有更多的空穴，從而導致高的催化活性。相比普通的催化劑，等離子體作用后的催化劑有如下獨特之處：①具有高度分布的活性物種，②能耗減少，③加強了催化劑的活性和選擇性，延長了催化劑壽命；④縮短了制備時間。另外，等離子體的作用可促進催化劑中的組分均勻分布，降低對毒物的敏感程度。這些特性將使得等離子體—催化技術有更大的應用前景。

2.研究進展

歐美和日本等國對低溫等離子體催化技術的研究開展得比較早，主要把該技術應用于脫硫脫硝、消除揮發性有機化合物、凈化汽車尾氣、治理有毒有害化合物等方面。目前，很多國家的學術機構、政府和商業機構都在積極地開展此類研究。近年來，國內有很多學者在等離子體煙氣脫硫脫硝、汽車尾氣凈化、有機廢氣處理等方面取得了較多實驗結果，在這方面的研究已比較成熟。

3.1處理VOCs進展

國內外大量研究表明，等離子體-催化協同作用相比單個作用時能大大增強凈化效果。KangM等人在常壓下用等離子體/TiO2催化體系去除苯，催化劑的質量百分比為3%，苯的濃度為1000mg/m3，在僅有氧氣等離子體沒有TiO2催化劑時，40%的苯分解；在TiO2/O2等離子體下，脫除率達到70%；在O2等離子體中，TiO2負載于γ-Al2O3上時甲苯的轉化率達到80%。

FutamuraS等[2]對有害大氣污染物（HAP）在低溫等離子體化學處理中金屬氧化物的催化活性進行了研究，在沒有MnO2作催化劑時，苯的摩爾轉化率為30%，而在有MnO2作催化劑時，苯的摩爾轉化率可以大大提高。FranekeKP等人[3]研究指出，在僅有催化劑時，20%的DCE(二氯乙烯)轉化成CO2；僅放電條件下，轉化70%的DCE；只有當兩者協同作用時，有90%的DCE被去除，并且CO2為主要氧化產物。

秦張峰等[4]應用低溫等離子體催化凈化甲苯廢氣，采用了含CuO、Pd、Pt等活性組分的催化劑，當反應氣流速為50-500mL/min，甲苯初始濃度為2000-20000mg/m3時，甲苯去除率為70%-95%，脫除量可達110mg/h。李鍛等[5]將雙極性脈沖高壓引入介質阻擋反應器對氯苯和甲苯的分解特性進行了實驗研究，而以馮春楊[6]、晏乃強[7]和黃立維[8]等人開展了脈沖電暈去除多種有機廢氣的研究，初始濃度為76.8mg/m3，苯的去除率達到61.4%，并對比了線—筒式和線—板式二種反應器對甲苯的去除率，在以Mn、Fe等作為催化劑時，可使去除率提高，催化劑活性的排序為Mn＞Fe＞Co＞Ti＞Ni＞Pd＞Cu＞V，在去除各種有機廢氣中，甲醛最易去除，二氯甲烷最難，甲苯、乙醇、丙酮則處于其間。

3.2處理氮氧化合物進展

RajanikanthBS等[9]人對模擬氣體在等離子體放電催化中NOx的去除進行了實驗研究，指出介質填充床的存在可使NO在低電壓下有更高的去除效率。實驗對三種不同的催化劑(Al2O3、BaTiO3、Al2O3+Pd)進行了探討，發現BaTiO3顆粒在氣體組成為NO、O2、N2以及NO在N2中時有更高的去除效率。在NO的初始濃度為265mg/m3時，NO的去除效率幾乎達到99%。在模擬汽車尾氣(組成為NO∶O2∶CO2∶N2)中，相比其他介質，涂了Pd的Al2O3催化劑有更高的NO去除效率，在室溫下NO去除效率相當于300℃甚至更高溫度下尾氣在慣常催化劑作用下的效率。

FranekeKP等[10]研究指出，僅在放電條件下，部分NO被氧化成NO2；在僅有氨作為還原劑，沸石作為催化劑時，可去除20%的NO；當等離子體置于催化之后，僅少量NO氧化成NO2；放電置于催化之前，約50%NO被去除；而當等離子體靠近催化放置時，有超過80%的NO轉化成N2。

3.3凈化機動車尾氣進展

為實現美國環保局(EPA)提出的機動車尾氣中NOx必須還原90%以上的目標，等離子體協同的催化體系在治理機動車排氣方面有了很大進展。目前，用該項技術NOx的還原效率可達到65%以上，同時，該項技術還可脫除92%～96%的顆粒物，去除甲醛40%以上。

美國學者指出，在富氧廢氣中采用低溫等離子體技術處理汽車尾氣，可使NO在O2和碳氫化合物的協同作用下轉變為NO2。而隨后的金屬氧化物催化劑可使NO2轉化為N2。該方法強化了機動車排氣中氮氧化物的還原，特別是那些有相對較高硫含量的汽車尾氣。MiessnerH等[11]也指出，SCR和低溫等離子體相結合凈化機動車排氣，加強了整體反應，在相對低的溫度下就能有效地去除NOx。Al2O3和ZrO2作為催化劑的加入，促進了反應向有利方向進行。當供給每個NO分子30ever的能量，溫度為300℃，氣速為20000/h時，500mg/m3的NO能還原一半以上。

國內學者發明了一種后置式汽車尾氣凈化器，尾氣經錐體分散后進入電場的催化劑中，在低溫等離子體和催化劑的協同作用下，尾氣凈化率大大提高。該凈化器一方面可使催化劑活性增加，轉化率提高；另一方面可避免催化劑燒結，從而降低汽車尾氣中有害氣體的排放。與現有技術相比，該凈化器具有以下優點：①將低溫等離子體技術與催化技術相結合，技術得到升級；②適用于各種車型，不受汽車的原始排放限制，不同于現有的三元催化裝置；③沒有起燃溫度限制，對冷車啟動同樣有效，且適用范圍廣；④結構緊湊，設計獨特、新穎。

3.展望

低溫等離子體技術應用的可行性和條件試驗已較充分，也有了大量理論基礎，已為這項工藝簡單、適用性強、流程短、能耗低、易于操作和自動化的新技術早日工業化打下了充分的基礎。但在低溫等離子體技術與催化協同作用方面研究較少，是一項全新的處理技術，二者相結合，等離子體場產生高能量活性粒子，促進催化反應，減少能耗；催化主導反應方向，讓反應具有選擇性，并能大大減少反應副產物，該技術被認為在處理VOCs、氮氧化物、機動車尾氣方面都有著廣闊的發展前景，但實際應用還很不成熟，必須投入足夠力量進行更加深入的理論和實踐研究。

參考文獻

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