DBD催化氧化吸附态甲苯及催化剂的再生实验研究

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挥发性有机化合物(VOCs)是臭氧和二次有机颗粒物的重要前体物质,高效而经济的治理VOCs的技术显得尤为重要。低温等离子体处理技术与传统的治理方法相比,在处理低浓度、小风量的VOCs方面,不仅工艺流程简单、适用范围广,而且去除效率高。但单独使用不仅能耗高有副产物,而且还存在降解不完全的缺点,因此将吸附催化与低温等离子技术相结合来处理这个问题,具有更好的效果。在低温等离子体联合吸附催化降解VOCs中,催化剂扮演着相当重要的角色,因此如何选择催化剂种类以及如何再生催化剂,还需进一步探究。针对VOCs治理过程中如何选择催化剂的问题,本文以分子筛为载体,锰和银为催化剂的活性组分,考察了不同分子筛的吸附性能和氧化甲苯性能;分子筛分别和介电常数较高的三氧化二铝小球与陶瓷环混合后的吸附性能和氧化分解甲苯的性能;以及DBD等离子体多次循环再生后,催化剂的吸附性能和催化性能发生的变化;并采用SEM、BET、XRD和FT-IR对催化剂进行表征。论文的主要结论如下:(1)对低温等离子体联合分子筛氧化甲苯进行研究,结果按吸附性能对这三种分子筛进行排序,其大小关系为:HY>13X>HZSM-5,吸附穿透时间分别为725min、340min和180min,其主要原因是HY具有较大的比表面积,为451 m2·g-1;在放电时,COx浓度大小关系为:HZSM-5>HY>13X,HY的CO2选择性高,产生的副产物O3和N2O的浓度低;当将三种分子筛都负载锰和银以后,吸附性能有所降低,主要原因是负载Mn和Ag以后,比表面积均有所下降,吸附性能降低;HY的COx平均浓度比HZSM-5少1.7%,但是HY的CO2选择性最高达到94.1%,远远高于HZSM-5,且副产物浓度最低。(2)考察了HY分子筛分别与陶瓷环和三氧化二铝小球以不同比例混合后对氧化甲苯性的能影响,结果表明二种混合填料的吸附穿透时间均与HY的量呈正相关,在质量比为1:2时氧化效果达到最好,其主要原因是三氧化二铝小球或陶瓷环的加入增加了混合填料的放电强度,以至于产生更多的活性粒子,将甲苯氧化,但是随着HY含量减少,其吸附性能变差,同时由于局部放热解吸附的甲苯无法再次吸附,导致甲苯随气流流走。因此二者质量比为1:2,视为最佳比例。(3)在介质阻挡放电系统中,将1:2的HY/TCH、HY/γ-Al2O3和TiO2/HY三种填料进行对比,结果表明,在这三种填料当中,HY/γ-Al2O3的吸附性能最好,并且吸附穿透时间达到200min,其次是TiO2/HY,最后是HY/TCH;1:2的HY/γ-Al2O3 COx平均浓度和CO2的选择性最佳,这是因为γ-Al2O3在高压系统中γ-Al2O3具有微电流作用。(4)吸附/介质阻挡放电(DBD)等离子体,通过循环再生后,可以有效地恢复催化剂对甲苯的吸附能力;经过10次连续吸附-再生,催化剂仍保持较高的吸附水平,再生率可达71.47%,随再生次数增加,再生率下降,其中第一次的再生率最大,为100%;此外,将DBD再生10次的催化剂进行程序升温氧化(TPO),其吸附性能可得到恢复,再生20次后催化剂的再生率仍在62%以上。通过分析再生前后催化剂表面的物理和化学特性及对甲苯降解能力的变化进行分析发现:Mn-Ag/HY与γ-Al2O3孔隙结构、表面化学官能团的变化以及其他残留有机物是导致再生效率随着再生次数的增加而下降的原因。
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