DBD-湿式均相催化耦合降解甲苯的实验研究

作     者：郑洋 

作者单位：西安建筑科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：党小庆;秦彩虹

授予年度：2021年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：甲苯 臭氧 均相催化氧化 叔丁醇 羟基自由基 

摘      要：挥发性有机物(VOCs)来源广,成分复杂,是当前空气污染的重要组成部分,对生态环境和人类健康均可构成严重损害。低温等离子体(NTP)工艺作为一种具有发展前途的VOCs治理技术受到广泛关注,其中介质阻挡放电(DBD)是等离子体氧化VOCs最常用的放电方式之一,具有工艺稳定、放电均匀等优点。但是副产物臭氧(O)的排放是限制DBD技术实际推广应用的瓶颈问题之一。本研究首次提出将湿式均相催化系统串联在DBD之后,利用DBD的副产物O在湿式系统中产生羟基自由基(·OH)进一步降解甲苯。研究验证了DBD-湿式均相催化耦合系统的可行性,筛选了合适的金属离子及其用于O的捕获及转化,优化了运行参数,基于EPR、GC-MS等技术分析了DBD-湿式均相催化耦合降解甲苯的机理。主要研究结论如下:(1)DBD-湿式洗涤耦合系统具有利用臭氧进一步提高甲苯去除率的潜力。在甲苯初始浓度263 mg·m,放电电压16 k V条件下,DBD对于甲苯的去除率稳定在43%,CO和O产生量为别为34 mg·m和433 mg·m;DBD+Fe系统甲苯的去除率在30 min后稳定在56%,CO产量达到81 mg·m,O去除率可达到72%。鉴于DBD+Fe系统的甲苯去除率与CO产量均高于单一DBD系统,特别是CO产量提高了2.4倍,说明DBD-湿式均相催化耦合技术降解VOCs是具有协同效果。金属离子Fe、Mn和Cu均可提高O去除率。在50-2000 mg·L的离子浓度范围内,O去除率均随Fe和Mn浓度的提高而增加,随Cu浓度的升高先增加后降低。(2)DBD耦合不同浓度的Fe、Mn和Cu溶液降解气态甲苯的研究结果表明,1 g·L的Fe在DBD-湿式均相催化耦合系统中效果最好,其甲苯的去除率为60%,CO产量106 mg·m,O去除率近90%;在DBD+纯水系统中,甲苯和O的去除率随着溶液初始p H(p H:2、4、6和8)的增加而增加,当p H为8时,甲苯和O的去除率分别高达到53%和12%;在DBD+Fe系统中,p H为4时甲苯和O去除率最高,分别为60%,90%;当DBD放电电压由14 k V升高至16 k V时,单一DBD的甲苯去除率、CO产量和O产生量分别提升到43%、34mg·m和433 mg·m;由240 min的持续降解实验(甲苯:263 mg·m;放电电压:16 k V;Fe浓度定为1 g·L)可知,甲苯去除率稳定在60%左右,O去除率在前120 min基本稳定在88%,之后略有下降,DBD耦合Fe催化系统稳定性良好,这是因为液相系统可持续产生·OH来降解甲苯。(3)通过添加自由基猝灭剂叔丁醇(TBA),研究DBD耦合Fe系统中甲苯的降解机理。结果显示,添加TBA后,甲苯的去除率从60%下降到了46%,CO产量从106 mg·m下降到了18 mg·m,说明TBA对于甲苯去除以及甲苯和有机中间体的深度氧化抑制作用显著。DBD耦合Fe系统中遵循羟基自由基作用机理,EPR测定结果进一步证明了上述推论。最后基于自由基和中间产物测定结果,分析了甲苯在DBD-湿式均相催化耦合系统中的降解机制。