CN111530281A - 一种低温等离子体协同催化去除氨气的方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于低温等离子体技术领域和恶臭污染治理领域，尤其涉及一种低温等离子体协同催化去除氨气的方法和设备，DDBD低温等离子体反应器，包括：等离子体反应器具有双层管状结构，包括内管、外管、放电电极和接地电极；放电电极覆盖在外管外表面，接地电极置于内管内侧，外管和内管通过聚四氟乙烯堵头固定；外管两端有进气口和出气口，外管和内管的间隙部份全部或部分填充有催化剂；催化剂为γ‑Al2O3催化剂或MnO2催化剂，通过石英棉承载固定。使用本发明的等离子体反应器，氨气去除率和体系能量效率更高，且能明显抑制O3副产物和NOx副产物的产生，具有良好的工业实用性。
Description
技术领域
本发明属于低温等离子体技术领域和恶臭污染治理领域，尤其涉及一种低温等离子体协同催化去除氨气的方法和设备。
背景技术
氨气是大气环境中常见的无机恶臭物质，主要来源于生活垃圾填埋场、堆肥厂、废水处理中心、畜牧业、养猪场等。未经适当处理氨气的排放会造成恶臭公害，威胁人类健康，因此氨气的相关排放源设施或场所经常受到邻近社区居民的投诉。到目前为止，很多技术包括溶液吸收、吸附、热解、生物过滤等被开发和应用，以减少氨气的排放，但是这些技术往往受操作条件或经济成本限制而存在一定的局限性。
近年来，低温等离子体除臭引起了人们的广泛关注，被认为是一种去除大气污染物清洁而有效的方法。低温等离子体技术通过高压放电产生大量活性物质(臭氧、羟自由基、氧自由基等)以及多种原子分解氧化恶臭气体。在环保领域应用的相关设备中，低温等离子体主要通过电晕放电、辉光放电、火花放电、弧光放电、介质阻挡放电等方式产生，其中介质阻挡放电和电晕放电最为常见。介质阻挡放电根据电介质数量分为单介质阻挡放电(Single Dielectric Barrier Discharge plasma,SDBD)和双介质阻挡放电(DoubleDielectric Barrier Discharge plasma,DDBD)，其中DDBD放电更加均匀，可防止产生电弧，同时可防止腐蚀性气体污染内电极，因此更具工程实用性。尽管DDBD低温等离子体对氨气具有较高的去除率，但在实际运行过程中为保证氨气高的去除率往往需要加载较高的电压，导致体系能量效率偏低，且DDBD去除氨气过程中不可避免地产生O3和NOx等副产物，限制了该技术的工业化应用。
发明内容
发明要解决的技术问题
本发明在DDBD低温等离子体的基础上，将两种不同的催化剂(γ-Al2O3和MnO2)分别与DDBD低温等离子体相结合，用来去除氨气，相较于单独DDBD等离子体系，等离子体催化体系的氨气去除率和能量效率更高，同时明显抑制O3和NOx等副产物的产生。
用于解决技术问题的方法
针对上述问题，本发明提出了一种DDBD低温等离子体反应器和DDBD低温等离子体去除氨气的方法。
一种DDBD低温等离子体反应器，其包括：等离子体反应器具有双层管状结构，包括内管、外管、放电电极和接地电极其中放电电极覆盖在外管外表面，接地电极置于内管内侧，外管和内管通过聚四氟乙烯堵头固定，外管两端有进气口和出气口，外管和内管的间隙部份全部或部分填充有催化剂。
一种实施方式为，其中，内管和外管的材质为石英管、玻璃管或陶瓷管，每个石英管与一个电极接触。
一种实施方式为，其中，内管和外管为圆柱形石英管，内管与外管的放电间隙为3～5mm。
一种实施方式为，其中，催化剂为γ-Al2O3催化剂或MnO2催化剂。
一种实施方式为，其中，放电电极由铜箔制成，接地电极由铜螺纹杆制成。
根据本发明的第二方面，提供一种DDBD低温等离子体反应装置，其包括调压器、高压高频交流电源和上述的DDBD低温等离子体反应器。
根据本发明的第三方面，提供一种等离子体去除氨气的方法，其中，在催化剂的存在下实施等离子体去除。
一种实施方式为，其中，催化剂为γ-Al2O3催化剂或MnO2催化剂，催化剂通过石英棉承载固定。
根据本发明的第四方面，提供一种等离子体去除氨气的方法，其中使用上述的等离子体反应装置，通过进气口通入指定浓度的氨气，通过控制调压器和高压高频交流电源，使得等离子体反应器中产生稳定的低温等离子体，处理完后的气体通过出气口排出。
本发明的有益效果
和单独DDBD反应器去除氨气技术相比较，本发明具有如下优点：
1.去除率和能量效率更高
如图2和3所示，在氨气初始浓度为100ppm，氨气流速为2L/min，输入功率为28.98w条件下，当氧气含量为0％时，DDBD联合γ-Al2O3对氨气的去除率为70.68％，体系能量效率为3.58×10-6mol/KJ，均为单独DDBD的1.7倍；DDBD联合MnO2对氨气的去除率为58.00％，体系能量效率为2.78×10-6mol/KJ，均为单独DDBD的1.3倍。
2.保证氨气高去除率的同时明显抑制了O3副产物的产生。
如图2和3所示，在氨气初始浓度为100ppm，氨气流速为2L/min，输入功率为28.98w条件下，当氧气含量为5-20％时，DDBD联合γ-Al2O3、DDBD联合MnO2以及单独DDBD对氨气的去除率均为100％，体系的能量效率均为4.79×10-6mol/KJ。如图4所示，当氧气含量为5-20％，O3副产物产生量为DDBD联合γ-Al2O3﹤DDBD联合MnO2﹤单独DDBD。其中，当氧气含量为20％时，单独DDBD产生的O3浓度为525ppm，而DDBD联合MnO2的O3浓度为45ppm,DDBD联合γ-Al2O3的O3浓度为12ppm，均明显低于单独DDBD体系。
3.明显抑制了NOx副产物的生成。
如图5所示，在氨气初始浓度为100ppm，氨气流速为2L/min，输入功率为28.98w条件下，当氧气含量为5-20％，NOx副产物产生量为DDBD联合γ-Al2O3﹤DDBD联合MnO2﹤单独DDBD。其中，当氧气含量为20％时，单独DDBD产生的NOx浓度为442ppm，而DDBD联合MnO2的NOx浓度为41ppm,DDBD联合γ-Al2O3的NOx浓度为23ppm，均明显低于单独DDBD体系。
从以下示例性实施方案的描述中，本发明的进一步特征将变得显而易见。
附图说明
图1是低温等离子体协同催化去除氨气的装置；
图2-3是低温等离子体协同催化去除氨气的去除率和能量效率；
图4是低温等离子体协同催化去除氨气时生成O3浓度；
图5是低温等离子体协同催化去除氨气时生成NOx浓度。
1—调压器；2—高压高频交流电源；3—双介质阻挡放电等离子体反应器；4—石英棉；5—催化剂
具体实施方式
以下对本公开的一个实施方式具体地说明，但本公开并非限定于此。
本发明要解决的是DDBD低温等离子体去除氨气时能量效率偏低和生成O3和NOx等副产物的问题，具体实施步骤如下：
1.DDBD低温等离子体反应***的建立
本发明使用的DDBD低温等离子体反应***包括调压器、高压高频交流电源和DDBD低温等离子体反应器，如图1所示。等离子体反应器具有双层管状结构，使用两个圆柱形石英管作为电介质，每个石英管与一个电极接触。内管(外径8mm，厚度1mm，长度450mm)靠近接地电极，外管(19mm，厚度1.5mm，长度360mm)的外表面与连接电源的放电电极接触，内管与外管的放电间隙为4mm。放电电极由铜箔(厚度0.1mm，长度200mm)制成，接地电极由铜螺纹杆(4mm×500mm)制成，外管两端设计有进气口和出气口。
2.DDBD联合γ-Al2O3催化剂体系的建立
将2克γ-Al2O3催化剂均匀添加到等离子体放电区(外管和内管之间)，用石英棉承载固定。
3.DDBD联合MnO2催化剂体系的建立
方法同步骤2，将催化剂换作MnO2。
4.DDBD联合催化剂体系对氨气的去除
分别在DDBD联合γ-Al2O3催化剂体系和DDBD联合MnO2催化剂体系中通入指定浓度的氨气，通过控制调压器和高压高频交流电源，使得等离子体反应器中产生稳定的低温等离子体，测定反应前后氨气的浓度变化并计算氨气的去除率和能量效率，测定反应过程中O3和NOx的生成浓度。
实施例
通过实施例更详细地描述本发明，但本发明不限于下述实施例。
实施例1
利用调压器(0-250V)和高压高频交流电源(南京苏曼电子公司CTP-2000K)在DDBD反应器中产生低温等离子体。选择氨气作为实验气体，氨气初始浓度均为100ppm，采用N2作为平衡气体。氨气浓度采用氨气检测仪(LH-901)实时检测，反应副产物O3由臭氧分析仪(ECO UV-100)测量，NOx由烟气分析仪(TESTO350)进行在线检测。在9.125KHz的恒定频率和2L/min的固定流速下，通过往配气***中增加O2，选择0％、5％、10％、15％、20％共5种不同氧气含量，分别对比氨气在单独DDBD反应器和DDBD联合γ-Al2O3催化剂体系之间的去除率、能量效率和生成副产物之间的差异。
氨气去除率计算公式为：
***能量效率计算公式为：
式中，[NH3]in为进气口的氨气浓度，ppm；[NH3]out为出气口氨气浓度，ppm；Q为氨气流速，L/min；P为输入功率，w；Vm为气体摩尔体积，L/mol。
如图2和3所示，在输入功率为28.98w条件下，当氧气含量为0％时，DDBD联合γ-Al2O3催化剂体系的氨气去除率为70.68％，能量效率为3.58×10-6mol/KJ，而单独DDBD反应器的氨气去除率为43.86％，能量效率为2.10×10-6mol/KJ，DDBD联合γ-Al2O3催化剂体系的氨气去除率和能量效率明显高于单独DDBD反应器。
如图4所示，当氧气含量为5-20％时，DDBD联合γ-Al2O3催化剂体系产生的副产物O3浓度明显低于单独DDBD反应器。当氧气含量为20％时，单独DDBD反应器产生的O3浓度为525ppm，而DDBD联合γ-Al2O3催化剂体系产生的O3浓度为12ppm。
如图5所示，当氧气含量为5-20％时，DDBD联合γ-Al2O3催化剂体系产生的副产物NOx浓度明显低于单独DDBD反应器。当氧气含量为20％时，单独DDBD反应器产生的NOx浓度为442ppm，而DDBD联合γ-Al2O3催化剂体系产生的NOx浓度为23ppm。
实施例2
利用调压器(0-250V)和高压高频交流电源(南京苏曼电子公司CTP-2000K)在DDBD反应器中产生低温等离子体。选择氨气作为实验气体，氨气初始浓度均为100ppm，采用N2作为平衡气体。氨气浓度采用氨气检测仪(LH-901)实时检测，反应副产物O3由臭氧分析仪(ECO UV-100)测量，NOx由烟气分析仪(TESTO350)进行在线检测。在9.125KHz的恒定频率和2L/min的固定流速下，通过往配气***中增加O2，选择0％、5％、10％、15％、20％共5种不同氧气含量，分别对比氨气在单独DDBD反应器和DDBD联合MnO2催化剂体系之间的去除率、能量效率和生成副产物之间的差异。氨气去除率和***能量效率计算方法同实施例1。
如图2和3所示，在输入功率为28.98w条件下，当氧气含量为0％时，DDBD联合MnO2催化剂体系的氨气去除率为58.00％，能量效率为2.78×10-6mol/KJ，而单独DDBD反应器的氨气去除率为43.86％，能量效率为2.10×10-6mol/KJ，DDBD联合MnO2催化剂体系的氨气去除率和能量效率明显高于单独DDBD反应器。
如图4所示，当氧气含量为5-20％时，DDBD联合MnO2催化剂体系产生的副产物O3浓度明显低于单独DDBD反应器。当氧气含量为20％时，单独DDBD反应器产生的O3浓度为525ppm，而DDBD联合MnO2催化剂体系产生的O3浓度为45ppm。
如图5所示，当氧气含量为5-20％时，DDBD联合MnO2催化剂体系产生的副产物NOx浓度明显低于单独DDBD反应器。当氧气含量为20％时，单独DDBD反应器产生的NOx浓度为442ppm，而DDBD联合MnO2催化剂体系产生的NOx浓度为41ppm。
工业实用性
使用本发明的等离子体反应器，去除率和能量效率更高，在保证氨气高去除率的同时明显抑制了O3副产物和NOx副产物的产生，具有良好的工业实用性。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种DDBD低温等离子体反应器，其特征在于，包括：等离子体反应器具有双层管状结构，包括内管、外管、放电电极和接地电极，其中放电电极覆盖在外管外表面，接地电极置于内管内侧，外管和内管通过聚四氟乙烯堵头固定，外管两端有进气口和出气口，外管和内管的间隙部份全部或部分填充有催化剂。
2.根据权利要求1所述的反应器，其中，内管和外管的材质为石英管、玻璃管或陶瓷管，每个石英管与一个电极接触。
3.根据权利要求1所述的反应器，其中，内管和外管为圆柱形石英管，内管与外管的放电间隙为3～5mm。
4.根据权利要求1所述的反应器，其中，催化剂为γ-Al2O3催化剂或MnO2催化剂。
5.根据权利要求1所述的反应器，其中，放电电极由铜箔制成，接地电极由铜螺纹杆制成。
6.一种DDBD低温等离子体反应装置，其包括调压器、高压高频交流电源和权利要求1-5中任一项所述的DDBD低温等离子体反应器。
7.一种等离子体去除氨气的方法，其特征在于，在催化剂的存在下实施等离子体去除。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，催化剂为γ-Al2O3催化剂或MnO2催化剂，催化剂通过石英棉承载固定。
9.一种等离子体去除氨气的方法，其特征在于，使用权利要求6的等离子体反应装置，通过进气口通入指定浓度的氨气，通过控制调压器和高压高频交流电源，使得等离子体反应器中产生稳定的低温等离子体，处理完后的气体通过出气口排出。
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| CN114918242A (zh) * | 2022-05-07 | 2022-08-19 | 浙江大学 | 一种基于同轴型dbd等离子体技术的微塑料污染土壤修复装置及方法 |
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2020
- 2020-05-14 CN CN202010407669.8A patent/CN111530281A/zh active Pending
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