随着工业化、城镇化的不断推进,我国化石能源消费量连年增长。化石能源的消耗产生了大量的颗粒物、SO2、NOx、重金属(Hg)及挥发性有机污染物(VOCs)等大气污染物,对我国生态环境造成了严重的压力,引发了以细颗粒物(PM2.5)、臭氧(03)等为特征的区域性大气复合污染问题,已引起全社会和世界各国的高度关注。近年来,随着一系列严格的大气污染物排放标准的出台,我国烟尘、SO2,NOx、重金属(Hg)等污染物的排放逐步得到控制,但VOCs的污染问题日益显著。VOCs是细颗粒物(PM2.5)、臭氧(03)的重要前驱体之一。此外,绝大多数VOCs物质具有生物毒性,可对人体健康造成严重危害。因此,研究VOCs的高效低能耗控制技术具有十分重要的意义。低温等离子体可在室温下产生高能电子和OH、O、N和N2(A)自由基等大量活性物质。这些物质具有极强的化学反应活性,可无选择性地破坏VOCs的分子结构,将其分解。但是等离子体单独作用时会产生有毒有害的副产物,且其能耗方面仍需进行优化。研究者发现,将等离子体与催化剂结合可产生协同效应,促进VOCs污染物的分解和深度氧化。前期国内外研究主要集中于调控等离子体反应参数和催化剂配方,产生并强化协同效应。对等离子体催化的反应过程特别是等离子体与催化剂之前的相互作用规律研究较少。本文以丙酮和甲醛为目标VOCs污染物,通过实验和理论分析等手段对等离子体催化脱除VOCs过程的反应机理进行了研究探讨。本文首先对等离子体催化的放电特性进行了研究。在等离子体反应器内加入填充材料后,其放电特性从单纯的空间内放电变为空间内的微放电与表面放电的结合,单个周期内输入等离子体反应器的能量密度上升,其能量密度顺序为γ-Al2O3>α-Al2O3>玻璃微珠>空管,与填充材料的介电常数相关。氧分子和水分子均具有电负性,可吸附等离子体产生的高能电子,抑制放电电流的增长。因此,在相同放电电压下,随着氧含量和气体相对湿度的增加,输入反应器的能量密度减少。与空管反应器相比,输入等离子体催化反应器的能量对氧含量和水汽更为敏感。载体是催化剂的重要组成部分。本文以丙酮分解为模型反应,通过不同工况的调变,考察并比选了几种常见的催化剂载体在等离子体环境下对该反应的影响。研究表明,丙酮的脱除效率随着能量密度的增加而提高。在相同能量密度下,比表面积较大的载体γ-Al2O3具有最好的丙酮脱除效率和能量效率。将等离子体与γ-Al2O3吉合后,尾气中的臭氧、N02和N20等副产物的浓度较等离子体单独作用时大幅下降,且尾气中未测得含N有机副产物。氧含量和湿度的上升分别有利于O和OH自由基的生成,但加速了高能电子的淬灭。丙酮与OH反应速率远高于与0自由基的反应,因此氧含量的增加抑制了丙酮的脱除；在本研究中,10%的相对湿度为丙酮脱除的最佳湿度。催化剂的活性组分关系到等离子体催化过程中自由基的利用率和VOCs的脱除效果。本文选择γ-Al2O3为催化剂载体,考察了负载不同金属氧化物对丙酮脱除反应的影响机制。研究表明,在γ-Al2O3催化剂表面负载金属氧化物提高了丙酮的脱除效率和C02选择性,同时抑制了HCHO和HCOOH的生成,其中CuOx/γ-Al2O3催化剂具有最佳的反应活性。通过催化剂表征,发现催化剂本身的氧化还原能力在等离子体催化氧化丙酮过程起重要作用,而催化剂本身的物理结构对该过程影响较小。根据实验结果建立了简化的动力学模型,发现等离子体催化脱除丙酮过程为一级反应,催化剂的加入有效提高了丙酮脱除的反应速率。在等离子体催化脱除甲醛过程中,电子激发和转动-振动激发是主要的能量消耗途径。随着能量密度的升高,这两种途径可产生大量的O、N自由基和亚稳态的N2分子,促进甲醛的脱除。通过对具有较强氧化还原能力的Cu元素进行Ce元素的掺杂改性进一步提高其处理VOCs的能力,考察了不同铜铈比例对等离子体催化脱除甲醛的影响规律。发现铜铈摩尔比为1比1时具有最好的甲醛脱除效果和C02选择性。表征结果表明,Cu与Ce物种间存在较强的相互作用,与单金属催化剂相比,Cu-Ce复合催化剂表面具有更多的氧空位和吸附氧,它们可以直接参与催化剂表面的表面反应过程,促进甲醛向C02和H20的转化。在本文实验研究及理论分析的基础上,建立并优化了可描述等离子体催化脱除丙酮过程的具有三层结构的人工神经网络模型。通过该模型获得了放电功率、初始浓度、气体流量和催化剂配方等4个因素对等离子体催化脱除丙酮这一过程影响的权重。发现等离子体放电功率对丙酮脱除影响最大,随后为催化剂配方；气体流量和污染物初始浓度对等离子体催化脱除丙酮过程影响较小。利用该模型成功预测了被试和未试工况下等离子体催化脱除VOCs的效率,模拟结果与实验数据符合地较好。在实验结果和理论分析的基础上,设计了等离子体协同催化体系的应用方案,并对其进行了相关的经济性分析。