等离子体处理有机气体

如医学院解剖实验室，化学实验室，环境工程大气实
验室为例证，对排放的气体进行定性及含量分析。

在江苏大学医学院解剖实验室通风橱的排放口，经
一个月不间断的测量得知解剖实验室排放的甲醛浓度
50ppm-230 ppm之间。 材料与化学化工综合实验室及基础化学实验室排放 的污染物种类繁多，经过收集到的气样进行分析，发 现排放的有机废气主要由苯 （21-250 ppm），甲醛 （30-500 ppm），二甲苯（ 3-170 ppm）组成。 环境工程大气实验室排放甲醛的浓度7-210ppm，苯 的浓度范围为10-230ppm。
4
5 6 7
200
200 200 200
71
39 27 20
0.4
0.4 0.4 0.4
3.0
3.2 3.4 3.5
64.5
80.5 86．6 90
初始浓度对苯净化效率的影响
No 初始浓度 净化后浓 气体流量 外加电压 净化效率 /ppm /ppm /m3/h /kV /% 1 100 9 0.4 3.4 90 2 3 4 5 6 7 200 300 400 500 600 800 27 46 79 121 221 390 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 86.6 84.6 80.1 75.8 63.2 51.3
羟基等离子体反应过程
在外加电场的作用下，产生的大 量羟基及其他活性自由基,如图所 示，H2O分子和O2分子在强电场中 受到高速电子(电子平均能Te > 13eV) 强烈地激励后产生大量的 OH•、HO2•、O3 、HO2•、O3OH• 、O3•、HO3•、O2•、OH• 、H2O2 等活性粒子。生成羟基的等离子体 反应过程是极复杂的连锁反应,等 离子体中HO2-同O3 反应生成OH•; 另一条反应过程是从产生OH•再经 由与O3 OH•、HO2•、O2•、O3•、 HO3•等反应后再度生成OH•的连锁 反应系。
强电离降解甲醛实验结果
在强电离放电降解甲醛实验中，影响实验的因素很多，如电 压、流量、初始浓度、湿度等。通过数值分析得出，电压对降 流量为0.4 m3/h时，处理效率最高。
解效率的影响最大，流量次之，初始浓度最弱。在电压为3.4kV，
强电离降解苯的实验结果
外加电压对苯净化效率的影响
No 1 2 3 初始浓度 /ppm 200 200 200 净化后浓 /ppm 181 176 141 气体流量 /m3/h 0.4 0.4 0.4 外加电压 /kV 2.0 2.5 2.8 净化效率 /% 9.5 12 29.5
危害非常大，严重影响人们的健康，因此引起了人们的关注。
在众多挥发性气体中，甲醛和苯的危害居于前两位，在实 验室有机废气中也最为常见。本次PPT将以甲醛和苯作为主要探
讨对象，使用等离子体技术来净化这两种有机废气。
高校实验室有机废气的浓度
随着高等学校办学规模的不断扩大，实验室的规模也随之扩
大，数目增多、功能更加齐全、实验设备更新和增加、可开设
No 初始浓度 /ppm 200 200 200 200 净化后浓 /ppm 15 18 29 72 气体流量 /m3/h 0.2 0.4 0.6 0.8 外加电压 净化效率 /kV /% 3.4 3.4 3.4 3.4 92.5 91 85.5 64
1 2 3 4
5
6 7
200
200 200
78
105 143
1
2 3 4 5
6
7
200
200
18
15
0.4
0.4
3.4
3.5
91
92.5
Table4.2 The experimental data of effect of formaldehyde primary concentration
甲醛初始浓度对净化效率的影响
No
1 2 3 4 5 6
初始浓度 /ppm 100
因素的研究 。
强电离降解甲醛和苯的实验总结
低温等离子体法可以在常温、常压下实现对甲醛和苯污染物的 去除，从机理上分析其最终产物为CO、CO2和H2O，无其他中
间产物。
甲醛和苯的去除率随着电场强度的增强而增大，随着气体流速 的增大而减小。随浓度增加去除率降低。
在考虑处理效率和能源利用俩方面上，可以得出苯和甲醛最佳
200 300 400 500 600
净化后浓 /ppm 8
18 38 60 97 175
气体流量 /m3/h 0.4
0.4 0.4 0.4 0.4 0.4
外加电压 /kV 3.4
3.4 3.4 3.4 3.4 3.4
净化效率 /% 92
91 87.33 85 80.6 70.83
气体流量对净化甲醛效率的影响
产生羟基自由基(OH•)的方法主要是强电离放电。而
羟基自由基具有以下特点。 羟基自由基具有极强的氧化性能,羟基自由基是强氧化 剂( E0 = + 2. 80V) ,与氟(F2)的氧化能力( E0 =+ 2. 87V) 基本相当。 羟基参与的化学反应是属于游离基反应,所以它的化学 反应速度极快。 剩余羟基最终生成物是O2 、H2O。
200 200
200 200
81 47
27 18
0.6 0.8
1.0 1.2
3.4 3.4
3.4 3.4
59.5 76.5
86.6 91
利用气相色谱仪分析苯的处理效率
图中峰1是载气氮气，峰2是苯。
由图可见，经过等离子体净化后，
苯的净化效率很好，在经过等离子 体的净化，苯的去除率达到85%以 上，并且无其他物质产生。
使用气相色谱分析中间产物及甲醛处理效率
先利用恒流采样器采样等离 子体反应器反应之前和反应 之后的烟气吸收到乙醚溶液
中，并利用进样针取1µ m溶
液进到气相色谱仪进行分析。 图中可以看到，甲醛气体的 出峰时间为5.864min。从出 峰情况看，净化后的气体进 行GS分析后发现无其他有 机物质产生并可以看到甲醛 气体的净化效率可达到90% 以上。
Ⅱ类12 ≤10
≤8 ≤ 12 ≤(8～ 12)
供验收用
2
3 4 5
小时平均
最高容许浓度
小时平均
6
7 8
饭馆(餐厅) 卫生标准
人防工程平时使用环境卫生标准 工作场所有害因素职业接触限值
GB16153- 1996
GB/ T17216- 1998 GBZ. 2- 2002
≤ 12
≤ 12 50 最高容许浓度

通过对这些实验室的现场测定，我们不难发现，高
校实验室排放的有机废气浓度较高，且排放量较大，
持续时间长，不加治理随意排放会对学生、老师和周 围居民的身体健康产生很大的威胁。对实验室排放有 机废气的净化势在必行。
国内外有机废气治理技术的研究进展


总体来说有机废气处理分为回收法与消除法两类
回收法是通过物理方法,在一定温度、压力下,用选择 性吸附剂和选择性渗透膜等方法来分离挥发性有机化 合物(VOCs) ,主要包括活性碳吸附、变压吸附、冷凝法 和生物膜法等
2
3 4 5 6 7
86.6
76.5 59.5 54.5 40.5 17
停留时间对苯净化效率的影响
No 1 2 初始浓度 /ppm 200 200 净化后浓 /ppm 119 91 气体流量 /m3/h 0.2 0.4 外加电压 净化效率 /kV /% 3.4 3.4 40.5 54.5
3 4
5 6
强电离降解苯的实验结果
在对苯进行处理的过程中，实验考虑了电压、流量、初始浓 度等影响因素，通过对比实验数据，我们发现苯的净化影响因 而初始浓度的影响相对较小。在电压为3.4kV，流量为0.4 m3/h 时，处理效率最高。因此在今后有机废气的处理中应着重这些
素跟甲醛相似，在这些条件中，电压、流量的影响依旧比较大，

消除法是通过化学或生物反应,用光、热、催化剂和 微生物等将有机物转化为水和二氧化碳,主要包括热氧 化、催化燃烧、生物氧化、电晕法、等离子体分解法、
光分解法等。

去除甲醛和苯方法众多，而本次PPT将采用等离子体
反应器，利用强电离放电产生的羟基自由基，使实验
室排放的甲醛和苯废气降解成无害无毒气体。
等离子体治理有机废气的基本原理
1.0
1.2 1.6
3.4
3.4 3.4
61
52.5 28.5
气体停留时间对甲醛净化效率的影响
No 1 2 3 4 5 6 初始浓度 /ppm 200 200 200 200 200 200 净化后浓 /ppm 15 18 40 72 78 105 气体流量 /m3/h 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 外加电压 /kV 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 3.4 净化效率 /% 92.5 91 80 64 61 52.5
外加电压对甲醛净化效率的影响
No 初始浓度 /ppm 200 200 200 200 200 净化后浓 /ppm 175 170 125 60 30 气体流量 /m3/h 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 外加电压 /kV 2.0 2.5 2.8 3.0 3.2 净化效率 /% 12.5 15 37.5 70 85
气体流量对苯净化效率的影响
No
1
初始浓度 /ppm 200 200
200 200 200 200 200
净化后浓 /ppm 18 27
47 81 91 119 166
气体流量 /m3/h 0.2 0.4
0.6 0.8 1.0 1.2 1.6
外加电压 净化效率 /kV /% 3.4 91 3.4
3.4 3.4 3.4 3.4 3.4

综上所述，采用强电场电离放电极端物理方法，可 以把H2O、O2电离后按羟基分子结构直接加工出高浓度
大产量的羟基自由基。可以有效的把可挥发性有机污
染物VOCs最终降解为CO2、H2O等无害物质。
强电离放电降解甲醛实验流程图

实验采用强电离放电方式，主要从外加电压、初 始浓度、气体流量、停留时间来进行Hale Waihona Puke Baidu醛气体和苯
等离子体净化处理实验室有机废气的 研究
江苏大学环境与安全工程学院 依成武
前言
在大气污染物质体系中，气态有机污染物占很大部分，这 恶化人们的生存环境。 在近年来我国教育飞速发展，实验室数量增加，以及日益 严重的大气污染的大环境下，实验室排放的有机废气对环境的
些带有异味(臭或香)的气态污染物会严重干扰居民的日常生活，
与之相对应的我国各类场所空气中甲醛浓度的限量
No 使用场所 民用建筑工程室内 标准依据 GB50325- 2001 限量值（ppm） Ⅰ类8 备注
1
环境污染物浓度限量 室内空气质量标准
居室空气中甲醛的卫生标准 公共场所卫生标准 室内空气质量卫生规范
表 GB/ T18883-2002 表1
GB/ T16127- 1995 GB966～9673-1996 卫法监发(2001)255号
实验项目的凋整与增多、科研团队的不断壮大、学生人数的增 加、学生进入实验室时间的延长以及实验室开放力度的不断加
大，因此实验室承担着更加繁重的教学和科研任务。而许多学
科实验室进行的实验及研究大多要用到化学分析方法，实验材 料的使用所引发“三废”环境污染问题已到了不容忽视的地步。

以下仅以江苏大学数间较易产生有机废气的实验室
气体的净化实验。实验还采用气相色谱仪分析苯与
甲醛的净化效率。 外加电压、初始浓度、气体流量、停留时间对降解
苯气体效率的影响同样重要。
Table4.1 The experimental data of effect of applied voltage on degradation efficiency
只与强电离放电中产生的OH•反应生成CO2和H2O，实
现无污染化。在强电离放电中，OH•的浓度对有机废气 的降解作用十分重要。

等离子体分解破坏挥发性有机污染物的两种途径如下
（1）高能级电子直接作用于污染物分子： e + 污染物分子 —— 各种碎片分子
（2）高能级电子间接作用于污染物分子：
e +O2 (N2,H20) ——2O(N,N*,OH) +污染物分子 — —中性分子
等离子体技术处理有机废气的原理为在外加电场的
作用下，介质放电产生的大量携能电子轰击污染物分
子，使其电离，解离和激发，然后便引发了一系列复 杂的物理、化学反应，使复杂大分子污染物转变为简
单小分子安全物质，或使有毒有害物质转变为无毒无
害或低毒低害物质，从而使污染物得以降解去除。等 离子体技术降解有机气体不需要外加吸收剂或催化剂，