低温等离子体结合锰基催化剂去除VOCs的研究

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挥发性有机化合物(Volatile organic compounds,VOCs)作为PM2.5和臭氧的重要前驱体,对人体和环境造成严重危害,受到社会的高度关注。低温等离子体技术(non-thermal plasma,NTP)在常温下表现出良好的VOCs去除能力,操作简单,近年来备受关注。低温等离子体常与催化剂结合使用,可大大提高对VOCs的去除效率和显著提高CO2转化效率。因此,寻找合适的催化剂耦合等离子体去除VOCs成为目前研究的热点。本文以难降解的氯苯和易降解的乙酸乙酯作为目标污染物,以低温等离子体耦合锰基催化剂为手段,考察了低温等离子体催化系统的放电特性以及对低浓度氯苯和乙酸乙酯的降解特性,并探讨了低温等离子体催化降解VOCs的反应机理。首先,运用固态法和溶胶-凝胶法制备了La Mn O3、OMSs两种锰基催化剂,对其进行了XPS、XRD、BET、H2-TPR、SEM和TEM等物化特性表征。其次,在低温等离子体反应装置内考察了不同的工艺参数(初始浓度、停留时间、催化剂放置量、湿度)对氯苯和乙酸乙酯等离子体催化降解效率和矿化效果的影响,并探究了副产物臭氧(O3)和氮氧化物(NOx)的产生情况以及催化剂在低温等离子体催化反应体系中的稳定性。最后,应用FT-IR、BET等手段对反应后催化剂进行了表征,并且深入探讨了氯苯和乙酸乙酯的等离子体催化降解机理。实验主要结论如下:(1)分别运用溶胶-凝胶法和固态法制备了La Mn O3和OMSs催化剂,通过氯苯和乙酸乙酯的降解实验得出OMSs催化剂催化性能更优。同时,OMSs催化剂的引入也表现出更佳的氯苯和乙酸乙酯CO2选择性。从表征结果分析可知:XPS表征结果显示OMSs催化剂中四价锰和晶格氧特征衍射峰更明显。H2-TPR表征结果显示OMSs催化剂催化还原温度更低,这证实了OMSs催化剂催化性能更强。(2)在低温等离子体去除氯苯催化体系和乙酸乙酯催化体系中,单独低温等离子体和低温等离子体耦合催化剂条件下,氯苯和乙酸乙酯去除率都随着初始浓度的增大而减小。O3、NOx产生量都随着峰值电压的增大而增大,同时,氯苯和乙酸乙酯在放电区停留时间越长降解效率随之增大,当催化剂放置量为0.2g时,低温等离子体催化体系达到最佳催化效果,湿度越大越不利于污染物降解。(3)在3k V和5k V的电压条件下测试了OMSs催化剂在NTP催化系统中的稳定性,电压条件每隔12小时交替。氯苯催化体系中OMSs催化剂在第一个电压循环期间保持了极高的活性,第二个电压循环期间,催化活性下降,氯苯去除率和CO2选择性下降。在乙酸乙酯催化体系中,OMSs催化剂在两个电压循环期间内保持了极高的催化活性。(4)对氯苯催化体系进行分析,发现催化剂表面沉积中间副产物为苯酚、苯二甲酸等苯环类衍生物,以及有机酸、醇类等有机小分子物质,根据中间副产物分析,得出了氯苯降解可以分为三种途径,最终产物都是CO2、H2O和HCl。对乙酸乙酯催化体系进行分析,发现催化剂表面沉积中间副产物为醇类、醛类、酸类和烷烃类小分子物质,这些物质再经过一系列反应生成CO、CO2和H2O。(5)对两种反应后催化剂做了FT-IR和BET表征,表征结果显示:催化剂反应前后结构性质没有发生变化,经过一系列催化反应后,一些副产物沉积在催化剂表面。经过氯苯催化体系和乙酸乙酯催化体系反应后的催化剂的变化情况有所差异,不同催化剂在不同催化体系下产生的中间副产物是不同的。
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