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等离子体催化氧化恶臭污染物的试验 ＊ 陈 刚 牛炳晔 上海锦惠复洁环境工程有限公司, 上海 200433 刘 伟 陈爱平 华东理工大学超细材料制备与应用教育部重点实验室, 上海 200237 摘要 尝试用一种等离子体-光催化复合技术净化污水处理泵站臭气, 研究表明, 该种复合技术具有较显著的协同促 进效应, 通过改变等离子体发生单元与光催化单元的距离以及在两者之间放置去静电网, 可消除等离子体单元产生的 负电荷对光催化单元的不利影响, 进一步提高其复合效应。 在此还对这一复合技术产生协同效应的机理进行了分析, 并在污水处理泵站实地考查了这种复合技术对臭气的净化效果。 关键词 等离子体 光催化 污水处理泵站 恶臭污染物 ＊国家创新基金资助项目, 上海市火炬项目 0 引言 长期以来, 由于认识 、 资金等方面的限制 ,我国污 水处理设施的建设极少考虑臭气的处理问题。近年 来,随着公众环保意识的逐步提高以及城市的飞速发 展,在净化保护水环境的同时, 如何处理好臭气已成 为当前急需解决的一个课题。目前常用的除臭方法 有 活性炭吸附法 、化学药剂吸收法、土壤法及生物 法。活性炭吸附法和化学药剂吸收法由于需要经常 更换吸附剂和药剂操作维护复杂, 臭气去除效率也较 低; 土壤法只适合去除低浓度臭气且占地面积大; 生 物除臭法 即利用微生物除臭 设备简单、能耗低、产 生二次污染的可能性小, 是目前国内外臭气治理的主 流方法,但该方法需要培养可将臭气成分氧化分解的 菌种 , 且 菌种的除臭 效果会受 到气候等因 素的 影响 。 [ 1,2] 低温等离子体技术和光催化技术是近些年涌现 出来的先进空气净化技术 , [ 3] 它们具有反应条件温 和、 反应彻底、 几乎对空气中所有污染物都具有治理 能力的优点。研究表明, 低温等离子体技术和光催化 技术之间存在一定的协同作用 ,因此将两者复合起来 使用有望得到令人满意的净化效果 。 [ 4,5] 本试验尝试用一种等离子体-光催化复合技术来 处理恶臭 ,通过实验室研究分析了这种复合技术协同 效应产生的机理 ,并通过现场实验考察了该复合技术 对污水泵站臭气的净化效果。 1 实验部分 1. 1 实验室研究 1. 1. 1 实验原料 实验室用空气稀释的三氯乙烯钢瓶气模拟目标 去除气体。 1. 1. 2 实验装置及流程说明 图1 为等离子体与光催化复合净化效率测试装 置。所需浓度的三氯乙烯是通过用空气稀释预先配 制好的高浓度三氯乙烯来获得的。稀释后的三氯乙 烯模拟污染空气进入主要由玻璃制成的复合净化装 置,首先流经等离子体发生器, 然后经过由紫外灯及 光催化网组成的光催化单元。等离子体发生器采用 脉冲电晕放电, 分别试验了圆筒式和片式两种形式。 紫外灯为 8 W 的杀菌灯, 主波长为 253. 7 nm, 光催化 网的基材为表面粘结了颗粒活性炭的泡沫状聚酯纤 维,通过浸渍法负载一定量的纳米二氧化钛 ,二氧化 钛光催化剂的原生粒子大小为 20～ 50 nm ,光催化网 放置在起支撑作用的多孔板上 。 1C2HCl3钢瓶; 3空气罐; 2, 4流量计; 5等离子体发生器; 6法兰口; 7UV 灯; 8催化载体; 9混合器。 图 1 等离子体 -光催化复合净化效率测试装置示意图 1. 1. 3 三氯乙烯降解效果测定 净化效果测试时 , 总流量为 450 mL min, 三氯乙 烯浓度为510 -4 。净化效果用三氯乙烯的降解率来 49 环 境 工 程 2006年 2 月第24 卷第1 期 表示 。 降解率 C2HCl3 C进-C出 C进 C进、 C出分别为反应器进口和出口处三氯乙烯 浓度 ,三氯乙烯浓度通过气相色谱仪分析得到 。考虑 到光催化网中活性炭的吸附作用, 在不开紫外灯和等 离子体电源条件下连续通反应气, 直到出口三氯乙烯 浓度基本不变, 并与进口浓度接近时再进行净化效果 的测定。 1. 2 污水泵站现场试验 1. 2. 1 污水泵站臭气净化装置及流程说明 在苏州工业园区某污水泵站建立了等离子体-光 催化复合净化臭气工业装置 见图 2 。 1中效过滤器; 2等离子体发生器; 3静电过滤网; 4光催化网; 5紫外灯; 6风机。 图2 某污水泵站等离子体 -光催化复合 净化臭气装置示意图 如图 2所示, 风机位于进口处 ,所需处理的空气 借助风机进入处理装置, 先经过等离子体发生器、静 电网, 然后经过由紫外灯 、 光催化网组成的光催化单 元,最后排出 ,其中光催化网 2 组, 紫外灯 1 组 每组 2 只 36瓦紫外杀菌灯管 。 1. 2. 2 净化效果测定 根据检测目标气体的不同 ,在吸收管中放入相应 的吸收液, 将大气采样器与吸收管相连 , 借助大气采 样器将待测气体吸入吸收管用吸收液进行吸收。吸 收液在实验室经显色后通过分光光度法测定所吸收 的目标气体的浓度。 2 结果与讨论 2. 1 光催化与等离子体的复合效应 实验室研究中, 当等离子体单元和光催化单元一 起运行一段时间后关闭等离子体单元, 单独考察光催 化单元的净化效果, 发现光催化活性随着等离子体单 元的关闭逐渐下降直至稳定 如表 1 。表 1 的实验 结果表明关闭等离子体后 ,其对光催化单元净化效果 的影响可持续 10 min 以上。这一实验现象说明, 在 等离子体单元关闭后 ,等离子体单元产生的活性物质 可以在光催化剂上存在一定的时间 ,即等离子体对光 催化单元的活化作用可持续一段时间。 表 1 开、关等离子体的持续效应和降解效率 T min降解效率 等离子体 开90. 2 等离子体 关564. 8 1060. 7 1557. 9 2056. 7 注 T 是等离子体发生器关闭的时间 表2 列出了等离子体-光催化复合净化效果。从 表2 的结果可知 ,只有在等离子体单元与光催化单元 的单独净化效果均较低时 ,两者复合的协同效应才能 充分展现出来。 表 2 光催化与等离子体的复合效应 等离子体 发生器 降解效率 等离子体光催化等离子体光催化 圆柱电极35 . 878 . 784. 0 平板电极64 . 519 . 080. 4 2. 2 光催化单元与等离子单元的复合方式 2. 2. 1 两单元间距离的影响 改变催化网与片式等离子发生器之间的距离 L ,考察光催化与等离子复合的降解效果, 结果如 表3。 表 3 光催化网与等离子体发生器间的距离对 复合降解效果的影响 L cm降解效率 10. 085. 2 17. 586. 3 32. 590. 9 注 L 是等离子体发生器和催化载体之间的距离 表3 的实验结果表明, 随着光催化单元与等离子 体单元间距离的增大 ,两者复合的降解效果有了一定 的提高。这一实验结果提示等离子体单元产生的活 性物种中, 有些会对光催化作用产生不利影响 。 2. 2. 2 两单元间去静电网的放置 实验时在光催化单元与等离子单元之间放置一 定数量的不锈钢网或无纺布静电网 ,三氯乙烯降解的 实验结果如表 4。 可以看出在等离子体单元与光催化单元之间放 置不锈钢网时, 三氯乙烯的降解效率有所提高 。当采 用对带电活性物质有很好湮灭作用的去静电无纺布 网时 ,三氯乙烯的降解效率会进一步提高 。因此初步 50 环 境 工 程 2006年 2 月第24 卷第1 期 推断等离子体产生的对光催化单元有不利影响的物 质主要是带电物质, 除静电网的放置可以消除这种物 质的不利影响。 表 4 网的放置及网材对复合降解效果的影响 材质降解效率 无 70. 0 不锈钢网 76. 3 无纺布静电网79. 2 2. 3 复合效应机理分析 脉冲电晕放电等离子体单元会产生一定量的正、 负离子、 自由基以及臭氧等活性物质 [ 4,5] 。有些活性 离子 、 自由基以及臭氧可直接与空气中的污染物发生 反应使空气得以净化 。然而, 正、负离子可能与光催 化剂表面具有光催化活性的光生电子及空穴作用 ,从 而影响光催化剂的降解效率 。等离子体-光催化复合 若要达到最佳净化效果, 理想的情况是等离子体产生 的会对光催化带来不利影响的物种 尤其是能与空穴 复合的负离子 在到达光催化网前能全部发挥作用或 湮灭掉,而对光催化有促进作用的物种如臭氧能有一 部分进入光催化单元 ,促进光催化反应 。等离子体产 生的正负离子在气体传送过程中会通过多种途径渐 渐湮灭 ,光催化单元与等离子体单元的距离越大, 发 生湮灭的正、 负离子越多 ,等离子体单元产生的正 、 负 离子对光催化单元的负面影响将越小; 而臭氧等分子 比活性离子要稳定些 ,会有一部分到达光催化网促进 光催化作用。 实验证明, 当采取控制等离子体单元与光催化单 元之间的相对位置, 以及在两者间放置网状除静电网 等措施消除等离子体单元产生的带电物质对光催化 单元的负面影响时 , 可以获得较好的等离子体-光催 化协同促进效应 。 2. 4 污水处理泵站臭气处理实验结果 表5 是在苏州工业园区某污水泵站进行的等离 子体-光催化复合净化 H2S 的试验结果, 风机风量为 3 000 m 3 h 。尽管现场 NH 3、H2S 的浓度有一定的波 动,但从试验结果仍然可以看出, 两种技术复合使用 对NH3、 H2S 的降解效果与单独使用时相比有了一定 幅度的提高 。泵站实地测试结果表明这种等离子体- 光催化复合技术确实具有较明显的协同促进作用 ,可 以获得较好的臭气去除效果。 表 5 苏州工业园区某污水泵站等离子体-光催化 复合净化 H2S试验结果 实 验 进口浓度 mgm- 3 出口浓度 mgm- 3 降解率 等离子体光催化1. 2970. 16387. 4 光催化 0. 9700. 39858. 9 等离子体 1. 4930. 41072. 5 3 总结 在此尝试用一种等离子体-光催化复合技术处理 污水泵站臭气, 实验室研究表明该种复合技术具有较 显著的协同促进效应 ,通过改变等离子体发生单元与 光催化单元的距离及在两者之间放置可消除负电荷 影响的除静电网可进一步提高其复合效应; 污水处理 泵站的测试结果表明该复合技术与单独使用两种技 术相比 ,净化效率有了较显著的提高, 可以获得较好 的臭气去除效果。本试验为开发高效实用的新型污 水泵站臭气处理技术提供了一些新思路 。 参考文献 [ 1] Vergani C C. Air cleanerwith cold-plasma electrostatic catalytic device. EP 1249265 A1. [ 2] Shindo Y, Nagayoshi K. Photocatalytic air purification apparatus. JP 2000325447 A2. [ 3] 王惠敏, 刘博. 低温等离子体发生片替代纳米 TiO2催化光源的 实验分析. 青岛大学学报, 2003, 18 4 51 -54. [ 4] 杨武, 荣命哲. 低温等离子体空气净化原理及应用. 电工技术. 2000, 3 31 -32. [ 5] 王晓明, 史文祥等. 等离子体室内空气净化技术研究进展. 高电 压技术, 2004, 30 1 48 -51. 作者通讯处 陈刚 200433 上海市国定路 335 号一号楼 11001 室 上海锦惠复洁环境工程有限公司 电话 021 65647488 E -mail ceo ceo-green. com 2005- 06-30 收稿 欢迎订阅环境工程 邮发代号 82 -64 51 环 境 工 程 2006年 2 月第24 卷第1 期 TREATMENT PLANTSLi Jian Zhang Shujing Jin Yuquan et al 43 Abstract Everyday, a great deal of gas is produced in anaerobic sludge digester of sewage treatment plants. Digestive methane is a combustible gas and hasa high combustion value. It can be used to yield electricity. Before it is used, hydrogen sulfide H2Sin methane must be removed inorder to avoid the corrosion of the devices and control the emission of sulfur dioxide SO2. PDS is applied to digestive methane desulfurization H2Sand its validity is also proved by doing a series of investigations and experiments in Gaobeidian Sewage Treatment Plant. The desulfurization rate reaches above 90 and the average level is 95. The concentration of hydrogen sulfide H2Sat exit is below 1 150 mg m3 which is the request of electric generator for methane. All these tests have played an important role in the next engineering and improvement of process. Keywords digestive methane, desulfurization, PDS and application ANALYSIS OF TECHNICAL CHARACTERISTIC OF FGD PROCESS FOR 600 MW UNIT IN TAISHAN POWER PLANTSong Jianke Wang Zhuliang 46 Abstract Main principle and characteristic of the first CT -121 FGD process for 600 MW unit in our country as well as testing result are presented;comparison of its SO2removing with conventional FGD process is also made. Meanwhile, several main factors influencing SO2removal efficiency are discussed and analyzed. Keywords CT -121 process, jet bubbling and SO2removal efficiency EXPERIMENT ON PHOTOCATALYSIS OF ODOR POLLUTANTS BY PLASMA Chen Gang Niu Bingye Liu Wei et al 49 Abstract A new technology of plasma -photocatalysis combination was proposed to remove stenchful gas from sewage pump station. It was showed that this combination technology had a quite notable synergistic effect. And the synergistic effect could be enchanced by adjusting the distance between plasma unit andphotocatalysis unit and setting some netsbetween them to eliminate the influence of negative charges producedby plasma unit. The mechanism of the synergistic effect of this combination technology was illustrated, and its purification efficiency for stenchful gas was valued by pilot test. Keywords plasma, photocatalysis, sewerage pump plant and odor pollutant UTILIZATION OF CFB BOILER ASH AS GROUTING MATERIAL Sheng Guanghong Zhai Jianping Li Qin et al 52 Abstract CFB boiler ash is not fit for utilization, for no ball glass -pearls, and high content of f-CaO and SO3.Research on the grouting material including CFB boiler ash showed that utilization of CFB boiler ash was beneficial for the stability and concretion rate of mortar, but was unbeneficial for fluidity of mortar and strength of concretion, while the perance of mortar was improved for grouting by additives. Keywords CFB boiler ash, high calcareous flue gas desulfurization ash, grouting material and additives DETOXICATION OF SLAGE CONTAINING CHROMIUM BY MICROWAVE IRRADIATION Ning Ping Liu Tiancheng Liang Bo et al 56 Abstract The temperature rising of lignite and slag containing chromium under microwave irradiation, and the detoxicated influences of slag containing chromium by using lignite as reducer were studied. Results showed that the temperature of slag containing chromium and lignite can be up to the reduction reaction temperature; as the increase of microwave power, the length of irradiation time, the increase of the rate of lignite to slag and the lignite content, the conversion of Cr6and the system temperature were also increased. Whenmicrowave power at 700 w, irradiation time 20 min, the lignite slag 20 100, lignite 20 g, the conversion of Cr6can be up to 99. 12, and the temperature of system reaches 1 050 ℃. Keywords lignite, slag containing chromium, microwave irradiation and detoxication THE TREATMENT OF OILY SLUDGE BY BIOLOGICAL FLOTATION Li Daping He Xiaohong Tian Chongmin et al 58 Abstract The oily sludge from Shengli Oil Field was treated by a consortium of microbes isolated from the oily contaminants with the technique of biological flotation in the oil field. The influence of the factors including the temperature, dilute rate, inoculums amount and the sugar percentage on the removal of oil were studied during the treatment processes. The effects of treatment with single bacteria and a mixed bacteria consortiumon the removal of oil were also studied. The results show that the optimal parameters in the reactor are listed as follows water temperature 40 ℃, dilute ratio 98, the microbes percentage 3. 75, and the sugar percentage 0. 25. And the oil removal can reach 95 under this condition. It can improve the content of the recycled oil by mixed microbes in this biological flotation system. Keywords oily sludge, biological flotation and removal rate 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 24, No. 1,Feb. , 2006