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摘要：柴油机尾气排放的炭黑颗粒物大气污染治理日益受到关注，本文采用低温等离子体协同催化剂技术净化柴油机尾气中碳烟颗粒。研究结果表明：放电电压、放电频率、尾气流速对炭黑净化率具有较大影响，其影响顺序为尾气流速大于放电电压，放电频率影响最小；其影响规律是先增大而后减小。最佳工艺参数为放电电压35kV、放电频率约200Hz、尾气流速在3.5L/min左右，最佳工艺条件下炭黑的最大净化率为69.6%。研究结论可为净化柴油机尾气中炭黑提供实验依据。
关键词：低温等离子体；柴油机尾气；碳烟颗粒物；放电电压；放电频率
中图分类号：X701文献标志码：A
文章编号：1672-1098（2016）02-0016-04
Abstract：Removal of soot from diesel exhaust gas has been payed more attention. This paper has investigated the method of non-thermal plasma combined with catalyst to remove soot from diesel exhaust gas. The result showed that discharge voltage， discharge frequency and exhaust gas flow velocity has more effect on the soot removal rate. This sequence of effect factor from more to less is gas flow velocity， discharge voltage and discharge frequency. With the effect factor increasing， the removal ratio increases and then decreases. It has been found the maximum soot removal rate reached 69.6% under the optimal conditions of discharge voltage 35 kV， discharge frequency about 200 Hz， exhaust gas flow velocity 3.5 L/min or so. This conclusion can provide an experimental basis for the removal of soot from diesel exhaust gas.
Key words： non-thermal plasma； diesel exhaust gas； soot； discharge voltage； frequency
随着我国交通运输业快速发展，柴油机作为车用和船用动力也得到广泛应用，但柴油机尾气污染的治理也受到社会关注[1-4]。柴油机与汽油机尾气组成和特性不同，柴油机尾气以未完全燃烧的油品和炭黑颗粒物，以及氮氧化物等为主要成分，传统的汽车尾气三效净化器方法不能很好适用于柴油机尾气的治理[5-7]。因此科研工作者一直致力于柴油机尾气净化的研究，到目前为止应用于柴油机尾气净化的方法主要有活性炭吸附法、催化氧化法、等离子体法等，但这些方法存在处理量少、副产物多、净化效率低等缺点。文献资料[8-9]表明低温等离子体协同催化剂技术能够克服单独采用等离子体技术能耗高、副产物多等缺点，同时又拓宽了催化氧化技术常温净化柴油机尾气的适用范围，因此在柴油机尾气净化领域具有良好应用前景。本研究采用低温等离子体协同催化剂技术，净化处理柴油机尾气排放的炭黑颗粒物[10-12]。
1实验部分
1.1实验仪器
主要实验仪器：1.5 kW柴油机、示波器、高压电源、GM-0.20隔膜真空泵、硅胶管、斜管压差计、FA2004电子精密分析天平、微孔滤膜、累积式煤气表、过滤器、汽车尾气分析仪、电流表、改性海泡石催化剂（自制）、介质阻挡放电低温等离子体反应器（自制）等。
介质阻挡放电低温等离子体反应器用壁厚3 mm、长度120 mm、外径21 mm的石英玻璃管为壳体，外壁周围包裹长度为50 mm的铝板网为接地电极，管中央插入外径为6 mm的不锈钢棒为阳极；石英管两端用硅橡胶塞封闭，并具有气体进出口；在石英管内装填高度为50 mm的催化剂填料。
1.2实验方法
实验装置如图1所示
实验开始时先发动柴油机1，待其工作稳定后打开控制阀5，用气体转子流量计4控制柴油机尾气流量，调整所需气体流量，再次检查所有管道气密性。采用调频调压高压电源10控制等离子体反应器的电压和频率，用数字式示波器11记录其电压和频率数值。
试验装置稳定运行7～8min，待管道中空气被柴油机尾气完全置换、尾气流速稳定后，用隔膜泵8抽取柴油机尾气并进入检测装置分析成分；用累积式煤气表测定隔膜泵抽气量。在过滤器7中装上精密滤膜，用电子精密分析天平准确称量每抽取1 m3气体前后的滤膜重量，从而可准确计算出单位体积气体内的炭黑重量m。为保证采样的准确性，本实验采用等速取样方法，在取样抽气过程中，通过调整进气阀门控制微型压差计2的读数，使其始终保持微正压差。根据低温等离子体反应器反应前后滤膜沉积炭黑重量m1和m2，由式a=（m1-m2）/m1计算柴油机尾气中炭黑的净化率。
2结果与讨论
2.1放电电压对净化率的影响
将尾气流速设定为4 L/min。启动柴油机待工作稳定，开启隔膜泵，开始计时，待累积式煤气表读取抽气体积为1 m3时，关闭隔膜泵和阀门，取出滤膜称重，多次实验取其平均值，测得净化前炭黑的质量是24.3 mg。将高压电源放电频率设定为150 Hz，放电电压分别调至10 kV、15 kV、20 kV、25 kV、30 kV、35 kV、40 kV、45 kV，测得净化后炭黑质量依次为22.1 mg、19.1 mg、16.0 mg、14.2 mg、12.6 mg、11.7 mg、12.5 mg、12.7 mg，计算炭黑的净化率，得到放电电压与炭黑净化率的关系如图2所示。 由图2可见，柴油机尾气炭黑颗粒物净化率随放电电压升高呈现出先增大后略有下降直至逐渐平缓趋势。表明在一定范围内升高放电电压能提高炭黑净化率；当放电电压超过35 kV以后，净化率略有下降趋势，但下降速度十分缓慢。
这是由于在一定区间内随放电电压升高，反应器内等离子体能量密度增大，能够提供各类粒子和氧化自由基团更多能量；同时等离子体浓度增加使炭黑颗粒物活性增大，有利于提高炭黑净化率。但当输入电压足够大时，容易发生反应空间击穿现象，所以净化率会略有下降。
2.2放电频率对净化率的影响
放电电压稳定在35kV，尾气流速设定为4 L/min，实验方法不变，放电频率分别设定为50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz、250 Hz、300 H
z进行测试并计算炭黑的净化率，得到放电频率与炭黑净化率的关系如图3所示。
放电频率/Hz图3放电频率与炭黑净化率关系曲线
由图3可见，在上述实验条件下，放电频率在50～200 Hz范围内，炭黑净化率随放电频率增大不断提高，当频率达到200 Hz左右时，炭黑净化率达到最大值，之后略有下降，但下降速度较缓慢。实验证明：提高放电频率能提高炭黑颗粒物的净化效果，但如果频率过高已发生击穿现象，从而影响了净化效率。本实验最优放电频率约为200 Hz。
2.3尾气流速对净化率的影响
由图4可见，随着尾气流速的逐渐增大，炭黑净化率呈现先上升后又快速下降的趋势，流速3.5 L/min时达到最大值69.6%。当流速小于3.5 L/min时，因为气流速度增大促进气体表面更新速率，因此净化率提高。但当流速大于3.5 L/min之后，炭黑净化率下降较为明显，这是因为随着尾气流速增加，炭黑颗粒物在等离子体反应器装置内停留时间变短，反应不够充分，导致炭黑净化率下降。因此，如果要增大尾气流速，必须要同步提高等离子体反应器内等离子体的浓度，才能进一步提高炭黑颗粒物的净化率。
综上所述，放电电压、放电频率、尾气流速对本实验均有一定影响，因此，需要设计正交试验研究各因素影响的顺序，以确定最佳工艺参数。
2.4正交实验分析
在上述单因素实验基础上，以炭黑净化率为指标，以A：放电电压（kV），B：放电频率（Hz），C：尾气流速（L/min）为因素，测量方法不变，各取3个水平，进行正交试验。
由表2可以得到，影响炭黑净化率因素的主次顺序为：C>A>B。实验最佳条件为A2B1C2，即放电电压为35 kV、放电频率为200 Hz、尾气流量为3.5 L/min。
3结论
采用低温等离子体协同催化剂技术去除柴油机尾气中碳烟颗粒，获得了放电电压、放电频率、尾气流速对柴油机尾气中炭黑净化率的影响规律。实验表明随放电电压、放电频率、尾气流速的增加炭黑净化率先增大而后减小，最佳工艺条件为放电电压35 kV、放电频率约200 Hz、尾气流速在3.5 L/min左右，测得在最佳工艺条件下炭黑的最大净化率达到69.6%。影响炭黑净化率因素的顺序为尾气流速大于放电电压，放电频率影响最小。本研究结果为柴油机尾气中炭黑净化提供了实验依据。
参考文献：
[1]李香香.基于低温等离子体协同催化脱除碳烟颗粒的研究[D].浙江大学，2014.
[2]赵一帆.等离子体协同催化去除柴油机尾气颗粒物[D].浙江工商大学，2015.
[3]DIABY M， SABLIER M， NEGRATE A，et al. Understanding carbonaceous deposit formation resulting from engine oil degradation[J]. Carbon. 2009， 47（2）：355-366.
[4]张文豪.低温等离子体与催化剂协同净化柴油机有害排放物的研究[D].武汉理工大学，2007.
[5]SLOSS L L， SMITH I M. PM10 and PM2.5：an international perspective[J]. Fuel Process Technology， 2000，65（66）：127-141.
[6]陈韦丽，叶代启，付名利 等.催化技术去除柴油机排放碳颗粒的研究进展[J].环境保护科学，2007，01：1-3.
[7]张潇宇.利用低温等离子体去除柴油机尾气中颗粒物质的研究[D].东北师范大学，2008.
[8]刘立东，史永万，高俊华 等.低温等离子体对柴油机尾气净化效果的研究[J].汽车工程，2013，02：116-120.
[9]齐智国.去除柴油车碳烟颗粒物低温催化剂的研究[D].吉林大学，2010.
[10]赵震，张桂臻，刘坚 等.柴油机尾气净化催化剂的最新研究进展[J].催化学报， 2008， 03：303-312.
[11]杜伯学，荀占龙，刘弘景.低温等离子体治理柴油机尾气污染的研究进展[J].环境保护科学，2008，03：12-15.
[12]BRAD FOLD M， GROVER R， PAUL P. Controlling NOx emission part 1[J]. Chemical Engineering Progress， 2002， 98（3）：42-46.
（责任编辑：李丽范君）
关键词：低温等离子体；柴油机尾气；碳烟颗粒物；放电电压；放电频率
中图分类号：X701文献标志码：A
文章编号：1672-1098（2016）02-0016-04
Abstract：Removal of soot from diesel exhaust gas has been payed more attention. This paper has investigated the method of non-thermal plasma combined with catalyst to remove soot from diesel exhaust gas. The result showed that discharge voltage， discharge frequency and exhaust gas flow velocity has more effect on the soot removal rate. This sequence of effect factor from more to less is gas flow velocity， discharge voltage and discharge frequency. With the effect factor increasing， the removal ratio increases and then decreases. It has been found the maximum soot removal rate reached 69.6% under the optimal conditions of discharge voltage 35 kV， discharge frequency about 200 Hz， exhaust gas flow velocity 3.5 L/min or so. This conclusion can provide an experimental basis for the removal of soot from diesel exhaust gas.
Key words： non-thermal plasma； diesel exhaust gas； soot； discharge voltage； frequency
随着我国交通运输业快速发展，柴油机作为车用和船用动力也得到广泛应用，但柴油机尾气污染的治理也受到社会关注[1-4]。柴油机与汽油机尾气组成和特性不同，柴油机尾气以未完全燃烧的油品和炭黑颗粒物，以及氮氧化物等为主要成分，传统的汽车尾气三效净化器方法不能很好适用于柴油机尾气的治理[5-7]。因此科研工作者一直致力于柴油机尾气净化的研究，到目前为止应用于柴油机尾气净化的方法主要有活性炭吸附法、催化氧化法、等离子体法等，但这些方法存在处理量少、副产物多、净化效率低等缺点。文献资料[8-9]表明低温等离子体协同催化剂技术能够克服单独采用等离子体技术能耗高、副产物多等缺点，同时又拓宽了催化氧化技术常温净化柴油机尾气的适用范围，因此在柴油机尾气净化领域具有良好应用前景。本研究采用低温等离子体协同催化剂技术，净化处理柴油机尾气排放的炭黑颗粒物[10-12]。
1实验部分
1.1实验仪器
主要实验仪器：1.5 kW柴油机、示波器、高压电源、GM-0.20隔膜真空泵、硅胶管、斜管压差计、FA2004电子精密分析天平、微孔滤膜、累积式煤气表、过滤器、汽车尾气分析仪、电流表、改性海泡石催化剂（自制）、介质阻挡放电低温等离子体反应器（自制）等。
介质阻挡放电低温等离子体反应器用壁厚3 mm、长度120 mm、外径21 mm的石英玻璃管为壳体，外壁周围包裹长度为50 mm的铝板网为接地电极，管中央插入外径为6 mm的不锈钢棒为阳极；石英管两端用硅橡胶塞封闭，并具有气体进出口；在石英管内装填高度为50 mm的催化剂填料。
1.2实验方法
实验装置如图1所示
实验开始时先发动柴油机1，待其工作稳定后打开控制阀5，用气体转子流量计4控制柴油机尾气流量，调整所需气体流量，再次检查所有管道气密性。采用调频调压高压电源10控制等离子体反应器的电压和频率，用数字式示波器11记录其电压和频率数值。
试验装置稳定运行7～8min，待管道中空气被柴油机尾气完全置换、尾气流速稳定后，用隔膜泵8抽取柴油机尾气并进入检测装置分析成分；用累积式煤气表测定隔膜泵抽气量。在过滤器7中装上精密滤膜，用电子精密分析天平准确称量每抽取1 m3气体前后的滤膜重量，从而可准确计算出单位体积气体内的炭黑重量m。为保证采样的准确性，本实验采用等速取样方法，在取样抽气过程中，通过调整进气阀门控制微型压差计2的读数，使其始终保持微正压差。根据低温等离子体反应器反应前后滤膜沉积炭黑重量m1和m2，由式a=（m1-m2）/m1计算柴油机尾气中炭黑的净化率。
2结果与讨论
2.1放电电压对净化率的影响
将尾气流速设定为4 L/min。启动柴油机待工作稳定，开启隔膜泵，开始计时，待累积式煤气表读取抽气体积为1 m3时，关闭隔膜泵和阀门，取出滤膜称重，多次实验取其平均值，测得净化前炭黑的质量是24.3 mg。将高压电源放电频率设定为150 Hz，放电电压分别调至10 kV、15 kV、20 kV、25 kV、30 kV、35 kV、40 kV、45 kV，测得净化后炭黑质量依次为22.1 mg、19.1 mg、16.0 mg、14.2 mg、12.6 mg、11.7 mg、12.5 mg、12.7 mg，计算炭黑的净化率，得到放电电压与炭黑净化率的关系如图2所示。 由图2可见，柴油机尾气炭黑颗粒物净化率随放电电压升高呈现出先增大后略有下降直至逐渐平缓趋势。表明在一定范围内升高放电电压能提高炭黑净化率；当放电电压超过35 kV以后，净化率略有下降趋势，但下降速度十分缓慢。
这是由于在一定区间内随放电电压升高，反应器内等离子体能量密度增大，能够提供各类粒子和氧化自由基团更多能量；同时等离子体浓度增加使炭黑颗粒物活性增大，有利于提高炭黑净化率。但当输入电压足够大时，容易发生反应空间击穿现象，所以净化率会略有下降。
2.2放电频率对净化率的影响
放电电压稳定在35kV，尾气流速设定为4 L/min，实验方法不变，放电频率分别设定为50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz、250 Hz、300 H
z进行测试并计算炭黑的净化率，得到放电频率与炭黑净化率的关系如图3所示。
放电频率/Hz图3放电频率与炭黑净化率关系曲线
由图3可见，在上述实验条件下，放电频率在50～200 Hz范围内，炭黑净化率随放电频率增大不断提高，当频率达到200 Hz左右时，炭黑净化率达到最大值，之后略有下降，但下降速度较缓慢。实验证明：提高放电频率能提高炭黑颗粒物的净化效果，但如果频率过高已发生击穿现象，从而影响了净化效率。本实验最优放电频率约为200 Hz。
2.3尾气流速对净化率的影响
由图4可见，随着尾气流速的逐渐增大，炭黑净化率呈现先上升后又快速下降的趋势，流速3.5 L/min时达到最大值69.6%。当流速小于3.5 L/min时，因为气流速度增大促进气体表面更新速率，因此净化率提高。但当流速大于3.5 L/min之后，炭黑净化率下降较为明显，这是因为随着尾气流速增加，炭黑颗粒物在等离子体反应器装置内停留时间变短，反应不够充分，导致炭黑净化率下降。因此，如果要增大尾气流速，必须要同步提高等离子体反应器内等离子体的浓度，才能进一步提高炭黑颗粒物的净化率。
综上所述，放电电压、放电频率、尾气流速对本实验均有一定影响，因此，需要设计正交试验研究各因素影响的顺序，以确定最佳工艺参数。
2.4正交实验分析
在上述单因素实验基础上，以炭黑净化率为指标，以A：放电电压（kV），B：放电频率（Hz），C：尾气流速（L/min）为因素，测量方法不变，各取3个水平，进行正交试验。
由表2可以得到，影响炭黑净化率因素的主次顺序为：C>A>B。实验最佳条件为A2B1C2，即放电电压为35 kV、放电频率为200 Hz、尾气流量为3.5 L/min。
3结论
采用低温等离子体协同催化剂技术去除柴油机尾气中碳烟颗粒，获得了放电电压、放电频率、尾气流速对柴油机尾气中炭黑净化率的影响规律。实验表明随放电电压、放电频率、尾气流速的增加炭黑净化率先增大而后减小，最佳工艺条件为放电电压35 kV、放电频率约200 Hz、尾气流速在3.5 L/min左右，测得在最佳工艺条件下炭黑的最大净化率达到69.6%。影响炭黑净化率因素的顺序为尾气流速大于放电电压，放电频率影响最小。本研究结果为柴油机尾气中炭黑净化提供了实验依据。
参考文献：
[1]李香香.基于低温等离子体协同催化脱除碳烟颗粒的研究[D].浙江大学，2014.
[2]赵一帆.等离子体协同催化去除柴油机尾气颗粒物[D].浙江工商大学，2015.
[3]DIABY M， SABLIER M， NEGRATE A，et al. Understanding carbonaceous deposit formation resulting from engine oil degradation[J]. Carbon. 2009， 47（2）：355-366.
[4]张文豪.低温等离子体与催化剂协同净化柴油机有害排放物的研究[D].武汉理工大学，2007.
[5]SLOSS L L， SMITH I M. PM10 and PM2.5：an international perspective[J]. Fuel Process Technology， 2000，65（66）：127-141.
[6]陈韦丽，叶代启，付名利 等.催化技术去除柴油机排放碳颗粒的研究进展[J].环境保护科学，2007，01：1-3.
[7]张潇宇.利用低温等离子体去除柴油机尾气中颗粒物质的研究[D].东北师范大学，2008.
[8]刘立东，史永万，高俊华 等.低温等离子体对柴油机尾气净化效果的研究[J].汽车工程，2013，02：116-120.
[9]齐智国.去除柴油车碳烟颗粒物低温催化剂的研究[D].吉林大学，2010.
[10]赵震，张桂臻，刘坚 等.柴油机尾气净化催化剂的最新研究进展[J].催化学报， 2008， 03：303-312.
[11]杜伯学，荀占龙，刘弘景.低温等离子体治理柴油机尾气污染的研究进展[J].环境保护科学，2008，03：12-15.
[12]BRAD FOLD M， GROVER R， PAUL P. Controlling NOx emission part 1[J]. Chemical Engineering Progress， 2002， 98（3）：42-46.
（责任编辑：李丽范君）