随着现代工业的发展,我国因VOCs排放而引起的大气污染问题日益严重。目前常用于有机废气处理的技术包括:冷凝、溶液吸收、吸附、膜分离、生物处理、燃烧法、臭氧氧化、光催化等,然而这些技术很难同时对多组分VOCs进行消除。相比之下,低温等离子体技术可以在常温条件下同时降解不同类型VOCs,并且具有良好的去除效率和相对较高的能量利用率。然而该技术却存在着副产物多、CO₂选择性差的缺点。本文首先研究了单独等离子体去除VOCs的性能,试图通过物理参数的优化,降低其副产物的排放。文章着重聚焦于寻找高效的催化剂与等离子耦合,以弥补单独等离子体的不足,并分别以水热法合成了不同晶型的MnO₂催化剂、以回流-离子交换法合成了M’-OMS-2催化剂,考察了各催化剂对等离子降解VOCs性能及副产物产出的影响,同时通过XRD、TEM、BET、FTIR、TPR、TPD等表征手段,对等离子催化耦合的机理进行了讨论。本文最后将高压静电场与钴锰复合金属氧化物催化剂Co-Mn Ox相结合,在模拟室内环境下对颗粒物有效去除的同时,利用副产物臭氧对甲醛进行了催化氧化。研究表明,对于单独等离子体去除VOCs,其去除效果与电源匹配密切相关。等离子的功率越高,VOCs的降解效率越高,但副产物也越多;功率较低时,虽然可以有效避免副产物的产生,但VOCs的去除率也会降低。因此,需要为等离子体选择一个合理的电源参数。从理论上分析,等离子体中的电子能量分布满足Maxwell方程,因此部分电子可以打开N≡N,并在含氧条件下反应生成NOx;实验结果表明,等离子体的副产物NOx不完全来自于氮气与氧气间的放电反应,也有一部分由含氧VOCs中的氧碎片与活性氮物种结合而生成。因此单独等离子体降解VOCs很难避免NOx的生成。低电压下,等离子产生的NOx主要为激发型;而输入高电压时,NOx的形成机理逐渐转变为热力型。等离子降解乙醛时,其CO₂的选择性并不高,主要原因在于硝基甲烷、有机胺、乙酸、一氧化碳等中间产物的产生。水热法合成的三种晶型MnO₂催化剂与低温等离子体耦合时,均具有较高的VOCs去除效率,同时催化剂的耦合降低了等离子体产生的有害副产物。其中α-MnO₂/Al₂O₃与等离子体耦合的效果最好。根据催化剂表征的结果可以发现,α-MnO₂良好的催化活性来自于其表面丰富的羟基基团、较高的比表面积和较强的氧物种移动性。在等离子催化反应中,耦合方式、VOCs初始浓度、反应流量及催化剂用量均会影响其降解VOCs的性能与副产物产量;当催化剂为臭氧分解型催化剂时,外置式耦合方式优于内置式;VOCs初始浓度的增加不利于等离子催化对有机物的降解,同时还会产生更多的NOx;反应动力学结果表明,催化剂的加入没有引起等离子反应级数的变化,但是却显著提高了反应的速率;选择适中的流量条件有利于保证VOCs高去除率的同时只形成少量副产物;而催化剂用量的增加可以提高等离子体耦合催化的效果。回流-离子交换法合成的M’-OMS-2催化剂与等离子耦合时性能优于MnO₂,并且具有良好的稳定性。在所有M’-OMS-2催化剂中,Co-OMS-2活性最高,其主要原因在于:钴与锰的离子半径更为接近,更容易取代催化剂表面的锰而形成表面氧缺陷,从而有利于臭氧及活性氧物种的捕集;同时,该材料比表面积大,氧物种较多,进而有助于促进臭氧与VOCs间的反应。Co-OMS-2催化剂对等离子降解乙醛时CO₂选择性的提高并不显著,主要是因为其将乙酸等中间产物转化为CO,而没有使之继续氧化。借鉴等离子催化技术的方法和思路,将高压静电场与钴锰复合金属氧化物催化剂Co-Mn Ox相结合,既可以有效去除室内环境下的颗粒物,又可以利用高压静电场产生的臭氧催化氧化甲醛,实现三种有害物质的同时去除。反应过程中,Co-Mn Ox催化剂的合成温度、钴锰比例对催化剂活性有着重要影响。实验结果表明,钴锰摩尔比为1:1,煅烧温度为773 K时,制备的钴锰复合金属氧化物催化活性最高。其原因可能在于钙钛矿Co Mn O3晶相的形成,催化剂表面氧含量的增加以及钴锰在催化剂中表现出的混合价态。