低温等离子体净化有机废气技术

有机废气是大气污染的源头之一，已经引起了社会的高度关注。等离子体作为一种高效经济的有机废气处理技术，在科研和工程领域具有广阔前景。著者从2003年开始等离子体的研究工作，积累了大量公开发表和未发表的等离子体科技文献资料和实物照片，一直致力于等离子体技术应用到能源、环保、材料、生物医学等领域，积累了丰富的探索性实践经验。本书汇聚了多国的先进研究成果，从放电等离子体的发生基本原理和机理、发生器类型、物理化学特征到有机物降解机理、工程案例均做了详细介绍。 

本书以有机废气与恶臭气体等离子体净化的前沿研究成果为主要内容，共分为21章。主要介绍了挥发性有机物与有机废气，等离子体与等离子体净化有机废气，电子束净化器、辉光放电等离子体净化器、介质阻挡放电等离子体净化器、电晕放电等离子体净化器、滑动弧放电等离子体净化器、射频放电等离子体净化器、微波等离子体净化器，等离子体与其他方法的联合技术，包括等离子体协同光催化技术、吸附与等离子体组合净化技术、等离子体与生物过滤组合处理技术，基于有机废气的结构分类介绍等离子体净化效果，包括等离子体分解烷类气体、等离子体净化醛类气体、等离子体净化苯系物、等离子体净化醇类气体、等离子体净化酮类气体、等离子体净化含氟烃类化合物、等离子体净化含氯烃类化合物、等离子体净化含氮恶臭气体、等离子体净化含硫恶臭气体。本书具有较强的技术性和针对性,可作为从事环境、能源等领域的科研人员和工程技术人员的参考书，也可作为高等学校环境科学与工程、能源工程及相关专业师生的教材。

杜长明，中山大学 环境科学与工程学院，副教授，硕导。中山大学从事教学和科研工作，历经助教，讲师，副教授。2001年获热能工程学士学位，2006年获浙江大学环境科学与工程博士学位。入选了中国发明协会银奖(2008)，“珠江科技新星”(2013)，广东省环境科学学会 “青年科技奖”(2014)，中国环境科学学会“青年科技奖”(2014)。国家科技专家库专家(2015)，广州市重大行政决策论证专家(2014)，广东省突发事件应急管理专家(2014)，广东省环境科学学会清洁生产专业委员会委员(2011)，金华市环保局环保专家(2015)，广东省实验中学钟南山科学人才培养班校外导师(2015)，广东省环境保护产业专家技术委员会专家(2015)，广州市突发事件应急管理专家(2015) ，广东省环境技术中心专家(2016)。

第1章挥发性有机物与有机废气1

1.1挥发性有机物1

1.1.1挥发性有机物定义1

1.1.2挥发性有机物来源4

1.1.3挥发性有机物危害5

1.2我国挥发性有机物的污染状况及法规6

1.3挥发性有机物源强核算7

1.3.1挥发性有机物产生源强的核算方法7

1.3.2挥发性有机物排放源强的核算方法8

1.4有机废气治理技术8

1.4.1冷凝法8

1.4.2膜分离法9

1.4.3吸收法9

1.4.4吸附法9

1.4.5热氧化法9

1.4.6催化氧化法9

1.4.7生物过滤法10

1.4.8光催化法10

1.4.9低温等离子体法10

参考文献11

第2章等离子体与等离子体净化有机废气12

2.1等离子体12

2.1.1等离子体定义与特征12

2.1.2等离子体分类12

2.1.3低温等离子体应用14

2.2低温等离子体净化有机废气14

参考文献15

第3章电子束净化器17

3.1电子束原理17

3.2电子束反应器类型18

3.2.1电子束反应器19

3.2.2电子束协同催化反应器20

3.3电子束净化有机废气影响参数23

3.3.1初始浓度23

3.3.2湿度23

3.3.3背景气体23

3.3.4辐照剂量24

3.4电子束处理VOCs机理24

3.5工业应用实例25

3.6展望26

参考文献27

第4章辉光放电等离子体净化器30

4.1辉光放电原理30

4.2辉光放电反应器类型32

4.2.1针板型放电32

4.2.2微空心阴极管放电33

4.2.3毛细管辉光放电35

4.3辉光放电净化有机废气影响参数38

4.3.1进气流速和停留时间38

4.3.2初始浓度38

4.3.3针数的影响39

4.3.4能量密度39

4.4辉光放电处理VOCs机理40

4.5辉光等离子体处理系统的比较分析41

参考文献42

第5章介质阻挡放电等离子体净化器45

5.1介质阻挡放电的发展历程45

5.2介质阻挡放电原理46

5.3介质阻挡放电反应器47

5.3.1线筒型47

5.3.2筒筒型49

5.3.3板板型50

5.3.4催化剂填充型51

5.3.5吸附剂填充型54

5.3.6多级串联型56

5.3.7多级并联型58

5.4技术影响参数58

5.4.1气体流速58

5.4.2VOCs初始浓度58

5.4.3水汽湿度59

5.4.4背景气体成分60

5.4.5反应器结构60

5.4.6供给电压和频率61

5.4.7电极尺寸和材料61

5.4.8介质性质62

5.4.9温度62

5.4.10催化剂种类63

5.4.11催化剂位置64

5.4.12UV光源64

5.4.13能量密度65

5.4.14VOCs混合物65

5.5降解产物69

5.5.1气态产物分析69

5.5.2液态和固态产物分析71

5.5.3能耗和能效72

5.6VOCs降解机理73

5.6.1活性粒子生成73

5.6.2VOCs的分解机理74

5.7工程案例78

5.7.1沥青烟气净化78

5.7.2H2S和CS2净化79

5.8结论和展望81

参考文献81

第6章电晕放电等离子体净化器90

6.1电晕放电原理91

6.2电晕放电等离子体反应器类型92

6.2.1正电晕和反电晕92

6.2.2脉冲电晕93

6.2.3线板电极96

6.2.4线筒电极97

6.2.5针板电极99

6.2.6线圈式电极100

6.2.7喷嘴式电极100

6.2.8刀板电极101

6.2.9串并联多极系统102

6.3技术影响参数104

6.3.1反应器结构104

6.3.2电极形状与材料104

6.3.3串并联级数105

6.3.4峰值电压106

6.3.5水汽湿度106

6.3.6背景气体氧气浓度107

6.3.7填充介质107

6.3.8反应器温度108

6.4降解结果分析108

6.4.1气态产物分析108

6.4.2液态或固态产物副产物分析110

6.5能耗与能效分析111

6.6技术与经济结果分析112

6.7电晕放电放电降解VOCs机理112

6.8工业应用案例116

6.8.1烟气净化116

6.8.2造纸废气处理117

6.8.3垃圾焚烧尾气净化118

6.9电晕放电等离子体净化器对比与展望118

参考文献121

第7章滑动弧放电等离子体净化器127

7.1滑动弧放电原理127

7.2滑动弧放电等离子体反应器129

7.2.1刀形电极129

7.2.2多电极132

7.2.3旋转电弧放电135

7.2.4龙旋风电弧放电138

7.2.5缩放电极电弧放电140

7.2.6滑动弧放电联合其他技术140

7.3技术参量143

7.3.1气体流速143

7.3.2VOCs初始浓度144

7.3.3水汽湿度144

7.3.4背景气体成分145

7.3.5反应器结构146

7.3.6供给电压和频率147

7.3.7电极尺寸和材料148

7.4降解产物148

7.4.1气态产物分析148

7.4.2液态和固态产物分析150

7.5能耗和能效分析152

7.6滑动弧放电等离子体降解VOCs机理153

7.7工程案例157

7.8比较和展望159

参考文献162

第8章射频放电等离子体净化器167

8.1射频放电原理167

8.2射频放电等离子体反应器169

8.2.1电感耦合等离子体反应器（ICP）169

8.2.2电容耦合等离子体反应器（CCP）171

8.3技术影响参数与降解结果173

8.3.1操作压力173

8.3.2输入功率174

8.3.3辅助气体175

8.3.4电极材料和结构175

8.3.5气态产物结果分析176

8.3.6固态产物分析177

8.4射频放电降解VOCs机理177

8.5展望178

参考文献178

第9章微波等离子体净化器181

9.1微波放电原理181

9.2微波放电等离子体反应器类型182

9.2.1常规微波等离子体炬射流182

9.2.2阶梯型谐振腔微波等离子体射流184

9.2.3微波等离子体燃烧器186

9.2.4改进的低压微波等离子体反应器186

9.2.5双焦等离子体源微波反应器187

9.3技术影响参数188

9.3.1微波功率188

9.3.2背景气体189

9.3.3初始浓度189

9.3.4喷嘴内径与气体流速190

9.3.5水蒸气的含量190

9.3.6处理温度190

9.4产物分析191

9.4.1气态产物191

9.4.2固态产物191

9.5微波放电降解VOCs机理192

9.6不同微波等离子体放电处理效果评价193

参考文献194

第10章等离子体协同光催化技术197

10.1等离子体-紫外光催化技术机理197

10.2等离子体-紫外光催化反应器198

10.3工艺影响参数199

10.3.1入口浓度199

10.3.2湿度200

10.3.3输入功率200

10.3.4处理顺序200

10.4工程案例201

10.5总结与展望202

参考文献203

第11章吸附与等离子体组合净化技术204

11.1吸附与等离子体组合关键技术204

11.1.1吸附-分离浓缩-等离子体分解204

11.1.2吸附富集-等离子体原位分解再生205

11.2吸附与等离子体耦合机制209

11.3净化效果影响因素分析210

11.3.1吸附剂210

11.3.2解吸气体210

11.3.3放电功率211

11.3.4放电处理时间211

11.3.5污染物种类和浓度211

11.4工程实例212

11.4.1吸附-分离浓缩-等离子体分解系统的应用212

11.4.2吸附富集-等离子体原位分解再生系统的应用212

11.5结论与展望213

参考文献213

第12章等离子体与生物过滤组合处理技术215

12.1等离子体与生物过滤耦合机理215

12.2等离子体与生物过滤组合反应器结构216

12.2.1塔式等离子体-生物过滤组合系统217

12.2.2滤池式等离子体-生物过滤组合系统218

12.3工艺影响参数219

12.3.1污染物浓度219

12.3.2运行和停留时间219

12.4结论和展望220

参考文献220

第13章等离子体分解烷类气体222

13.1含烷类气体的危害222

13.2等离子体处理含烷类气体系统222

13.2.1电晕放电222

13.2.2介质阻挡放电223

13.2.3滑动弧放电223

13.2.4射频放电224

13.3技术影响参数225

13.3.1初始浓度225

13.3.2气体流量225

13.3.3催化剂225

13.3.4温度226

13.3.5比能耗226

13.3.6放电功率227

13.3.7烃类化学结构227

13.3.8空气湿度227

13.3.9氧气浓度227

13.3.10载气228

13.4降解产物与降解机理228

13.5展望229

参考文献229

第14章等离子体净化醛类气体231

14.1含醛废气的来源与处理231

14.2等离子体处理含醛气体系统231

14.2.1电晕放电231

14.2.2介质阻挡放电232

14.2.3高频电容耦合放电232

14.3净化技术影响参数232

14.3.1反应器结构232

14.3.2电压233

14.3.3VOCs初始浓度234

14.3.4背景气体成分234

14.3.5VOCs化学结构235

14.3.6催化剂236

14.3.7气体流速237

14.3.8温度237

14.3.9输入能量238

14.4降解产物与降解机理239

14.5展望242

参考文献243

第15章等离子体净化苯系物245

15.1苯系物挥发性有机物的来源与处理245

15.1.1来源245

15.1.2危害245

15.1.3处理技术246

15.2等离子体处理苯系物系统247

15.2.1电晕放电247

15.2.2介质阻挡放电248

15.2.3滑动弧放电249

15.2.4射频放电249

15.2.5辉光放电249

15.2.6表面放电250

15.3净化技术影响参数250

15.3.1施加电压与电场强度250

15.3.2输入电流251

15.3.3频率252

15.3.4输入能耗252

15.3.5反应器类型253

15.3.6反应器尺寸与材料254

15.3.7电极形状255

15.3.8电极材料255

15.3.9载气256

15.3.10气体停留时间和气体流速256

15.3.11苯系物种类257

15.3.12单独VOCs与混合VOCs258

15.3.13初始浓度258

15.3.14湿度259

15.3.15催化剂260

15.3.16各反应条件影响程度比较264

15.4降解过程产物与降解机理264

15.4.1苯降解机理264

15.4.2甲苯降解机理266

15.4.3对二甲苯降解机理271

15.4.4邻二甲苯降解机理272

15.4.5苯乙烯降解机理272

15.5风险评价274

15.5.1苯降解副产物274

15.5.2苯乙烯和邻二甲苯降解副产物275

15.6应用测试275

参考文献276

第16章等离子体净化醇类气体284

16.1醇类气体的特征与净化284

16.1.1来源与特征284

16.1.2净化技术284

16.2等离子体处理含醇气体系统285

16.2.1电晕放电285

16.2.2介质阻挡放电286

16.2.3微波放电287

16.2.4射频放电287

16.3降解产物与降解机理287

16.4净化技术影响参数289

16.4.1初始浓度289

16.4.2温度289

16.4.3含水量289

16.4.4连续吸附/再生和连续处理290

16.4.5输入功率290

16.4.6催化剂291

16.4.7气体流速291

16.4.8载气成分292

16.4.9放电电压292

16.4.10放电频率292

16.4.11背景气体292

16.5展望292

参考文献293

第17章等离子体净化酮类气体295

17.1含酮气的来源与处理295

17.2等离子体处理含酮气体系统295

17.2.1电晕放电295

17.2.2介质阻挡放电296

17.2.3高压辉光放电296

17.3净化技术影响参数296

17.3.1反应器结构296

17.3.2电流298

17.3.3湿度298

17.3.4背景气体成分299

17.3.5输入功率299

17.3.6能量密度300

17.3.7催化剂301

17.4降解产物与降解机理302

17.5展望305

参考文献306

第18章等离子体净化含氟烃类化合物308

18.1含氟挥发性有机物的来源与处理308

18.2等离子体处理含氟挥发性有机物系统308

18.2.1介质阻挡放电308

18.2.2滑动弧放电309

18.2.3电晕放电309

18.2.4微波放电309

18.2.5辉光放电309

18.3净化技术影响参数310

18.3.1施加电压310

18.3.2输入能量311

18.3.3反应器结构311

18.3.4背景气体312

18.3.5气体流速312

18.3.6初始浓度313

18.3.7停留时间313

18.3.8催化剂314

18.3.9湿度314

18.3.10温度314

18.4降解过程产物与降解机理315

18.4.1C2F6的分解机理315

18.4.2CCl2-CClF2的分解机理315

18.4.3CF4的分解机理316

18.4.4C2H2F4的分解机理317

18.4.5SO2F2的分解机理319

18.4.6CF2Br2的分解机理319

18.4.7NF3的分解机理320

18.4.8SF6的分解机理322

18.5展望322

参考文献323

第19章等离子体净化含氯烃类化合物325

19.1含氯挥发性有机物的来源与处理325

19.2等离子体处理含氯挥发性有机物系统325

19.2.1电晕放电325

19.2.2介质阻挡放电326

19.2.3滑动弧放电326

19.2.4微波放电326

19.2.5辉光放电326

19.3净化技术影响参数327

19.3.1背景气体327

19.3.2温度327

19.3.3初始浓度327

19.3.4含水量328

19.3.5放电功率328

19.3.6气体流速329

19.3.7催化剂330

19.3.8能量密度330

19.3.9处理时间331

19.3.10施加电压332

19.3.11脉冲与频率332

19.3.12污染物种类333

19.3.13气体检测器管子长度333

19.4降解机理分析333

19.4.1C2HCl3分解机理333

19.4.2CH2Cl2分解机理335

19.4.3C2H3Cl3分解机理335

19.4.4CCl4和CHCl3分解335

19.5副产物风险评价337

参考文献337

第20章等离子体净化含氮恶臭气体341

20.1含氮类恶臭气的来源与特征341

20.2含氮类恶臭气的处理技术341

20.3等离子体处理含氮恶臭气体系统342

20.3.1电晕放电342

20.3.2介质阻挡放电342

20.3.3滑动弧放电343

20.3.4微等离子体343

20.4净化技术影响参数343

20.4.1反应器结构343

20.4.2电压345

20.4.3背景气体成分345

20.4.4气体流速346

20.4.5VOCs初始浓度346

20.4.6温度347

20.4.7湿度348

20.4.8催化剂349

20.5降解产物与降解机理350

20.6展望353

参考文献353

第21章等离子体净化含硫恶臭气体355

21.1含硫类恶臭气的来源与特征355

21.2含硫类恶臭气的处理技术355

21.3等离子体处理含硫恶臭气体系统356

21.3.1电晕放电356

21.3.2介质阻挡放电356

21.3.3滑动弧放电357

21.3.4射频放电358

21.4净化技术影响参数358

21.4.1反应器结构358

21.4.2电压359

21.4.3电源频率360

21.4.4气体流速361

21.4.5背景气体成分361

21.4.6VOCs初始浓度362

21.4.7湿度363

21.4.8温度363

21.4.9催化剂364

21.5降解产物与降解机理365

21.5.1硫化氢365

21.5.2硫醇类366

21.5.3二硫化碳368

21.5.4二甲基硫368

21.6工程案例369

21.7展望369

参考文献370

随着工业发展和城市化进程，世界范围内的大气污染越来越严重。大气污染物质中，除颗粒性污染物（烟尘、粉尘、总悬浮颗粒）外，气态污染物（CO2、SO2、NOx和烃类化合物）是主要污染成分。挥发性有机物（VOCs）作为碳化合物污染之一，给生态环境和人体健康（致畸、致癌等）带来了严重危害，对全球经济发展乃至人类的生存带来了严峻的挑战。有机废气净化技术的选择取决于多项参数，如污染物种类、浓度、气体流速、法规标准。若回用成本低于采购原料挥发性有机物成本，在这种情况下，非破坏性方法是较好的选择，如冷凝、膜分离、吸收、吸附等。若挥发性有机物无明显回用价值，或在挥发性有机物与有毒化合物混合的情况下，需选用销毁方法，如热氧化、催化氧化、生物过滤法、光催化和低温等离子体等。低温等离子体是一种可以减少挥发性有机物排放和其他工业废气的新兴技术，已经在大范围的排放物处理中得到有效应用，包括脂肪族烃、氯氟烃、甲基腈、碳酰氯、甲醛、硫和有机磷化合物、硫和氮氧化物，这样的等离子体可以通过各种放电（辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电、射频放电、滑动弧放电等）产生。气体放电产生等离子体，其中主要的电能（大于99%）用于产生高能电子，而不是加热全部的气流。这些高能电子通过载气分子的电子轰击分裂、激发、电离产生激发粒子、自由基、离子和额外的电子。这些活性粒子则可氧化、还原或分解污染物分子，并不需要加热全部气流来破坏污染物。另外，低温等离子体技术具有高选择性和相对低的维护要求，高选择性使其在排放控制时有相对低的能耗，而低的维护要求减少了每年的维护费。本书对放电等离子体发生的基本原理和机理、发生器类型、物理化学特征到有机物降解机理与副产物风险、工程案例均做了详细论述。编著者一直致力于环境等离子体技术的研发工作，积累了大量公开发表和未发表的等离子体技术资料和丰富的工程实践经验。现将等离子体处理有机废气的原理与技术前沿成果汇总，供与读者参考，希望有更多的研究者关注环境等离子体技术。感谢国家自然科学基金（50908237）、广东省科技计划项目（2015A020215013）、广州市科技计划项目（201709010070）和中山大学本科教学改革与教学质量工程项目“重点教材建设”项目的研究资助；同时感谢给予帮助和鼓励的老师、同事和同行。另外，还要感谢课题组研究生所付出的辛勤劳动。限于编著者水平，不妥与疏漏之处在所难免，恳请读者及同行谅解和帮助指正。杜长明2017年6月