Применение плазмы коронного разряда в некаталитических и каталитических процессах окисления паров летучих органических веществ

• Автор: Люлюкин, Михаил Николаевич
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 150 с. : ил.

Оглавление

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Феномен плазмы газового разряда

1.2 Природа плазмы газового разряда

1.3 Плазмохимическое и плазмокаталитическое окисление. Комбинирование воздействия плазмой разряда и катализатором

1.3.1 Химические превращения при плазмохимическом окислении

1.3.2 Химические превращения при плазмокаталитическом окислении

1.3.3 Характерные результаты плазмохимического и плазмокаталитического окисления паров
веществ
1.4 Сравнение плазмохимического и плазмокаталитического окисления с другими методами очистки
1.5 Заключение
Глава 2. Экспериментальная часть
2.1 Реактивы, материалы и растворы
2.2 Аналитические методы и приборы
2.3 Модифицирование поверхности ТЮ
2.4 Характеризация катализаторов
2.5 Проведение кинетических экспериментов
2.6 Анализ ИК спектров
Глава 3. Окисление паров ацетона н этанола в плазме коронного разряда
3.1 Исследование превращений ацетона в газовой фазе методом газовой хроматографии
3.1.1 Анализ кинетических кривых концентраций веществ в воздухе
3.1.2 Взаимодействие озона и ацетона
3.1.3 Промежуточные продукты окисления паров ацетона в плазме коронного разряда и схема
их превращений
3.2 Исследование превращений этанола в газовой фазе методом ИК-Фурье спектроскопии in situ
3.2.1 Анализ кинетических кривых концентраций веществ в воздухе
3.2.2 Взаимодействие озона и этанола
3.2.3 Промежуточные продукты окисления паров этанола в плазме коронного разряда и схема
их превращений
3.2.4 Накопление оксидов азота
3.3 Энергетическая эффективность процессов плазмохимического окисления паров ацетона и этанола
3.4 Заключение
Глава 4. Исследование плазмофотокаталитического окисления паров веществ

4.1 Ппазмафотокаталитическое окисление паров ацетона, ацетальдегида и толуола на
примере очистителя воздуха ТИОН
4.1.1 Исследование превращений ацетона и ацетальдегида в газовой фазе
4.1.2 Исследование превращений толуола в газовой фазе
4.1.3 Анализ эффективности процессов
4.1.4 Обсуждение результатов окисления субстратов с использованием очистителя воздуха

4.2 Плазмафотокаталитическое окисление паров ацетона с использованием
фотокатализаторов Р1/ТЮ
4.2.1 Исследование превращений ацетона в газовой фазе
4.2.2 Обсуждение результатов комбинированного плазмохимического и фотокаталитического
окисления паров ацетона
4.3 Заключение
Глава 5. Исследование плазмокаталитического окисления в системе с катализатором, расположенным за зоной коронного разряда
5.1 Характеризация катализаторов
5.2 Диоксид титана
5.3 Диоксид титана, модифицированный нанесением оксидов меди и марганца
(Си0Мп02/ТЮ2)
5.3.1 Окисление паров ацетона
5.3.2 Окисление паров этанола
5.4 Диоксид титана, модифицированный нанесением оксида марганца (Мп02/ТЮ2)
5.4.1 Окисление паров ацетона
5.4.2 Окисление паров этанола
5.4.3 Окисление паров ацетальдегида
5.5 Комбинирование воздействия плазмы, фотокаталитического окисления и катализатора
Мп02/ТЮ
5.6 Заключение
Глава 6. Моделирование кинетических закономерностей при окислении паров ацетона и
этанола
6.1 Плазмохимическое окисление
6.2 Плазмофотокаталитическое окисление
6.3 Плазмокаталитическое окисление
6.4 Заключение
Выводы
Благодарности
Список сокращений и условных обозначений
Список литературы

Введение
Проблема очистки воздуха от вредных примесей продолжает оставаться весьма актуальной. Большое количество молекулярных загрязнителей воздуха обладает токсичными свойствами. Некоторые из них могут быть предшественниками формирования фотохимического смога, вторичных аэрозолей, а также вносить изменения в формирование озонового слоя планеты. Существующие методы решения указанной проблемы основаны как на переводе примесей в другое состояние, так и на их разрушении. Среди деструктивных способов очистки воздуха особое место занимают каталитические методы, способные с высокой скоростью превращать примеси в нетоксичные вещества. Относительно недавно начали развиваться передовые окислительные технологии, основанные на генерации сильных окислителей (кислородсодержащие радикалы, озон, перекись водорода) непосредственно в потоке газа. Одним из экономичных способов получения таких окислителей является использование неравновесной низкотемпературной плазмы при атмосферном давлении. Особенность нетермической плазмы состоит в том, что электроны обладают примерно в 100 раз большей температурой, чем молекулы газа. Перегретые электроны практически не изменяют кинетическую энергию молекул, при столкновении с ними. Это обстоятельство позволяет создавать высокую концентрацию кислородсодержащих активных частиц в потоке загрязненного воздуха без его заметного разогрева. Под действием электрического поля электроны вылетают из катода и ускоряются в направлении анода до энергий, достаточных для ионизации молекул. Столкновения этих электронов с молекулами воздуха (азот, кислород, вода) вызывают их возбуждение, ионизацию и диссоциацию. Образуются короткоживущие радикалы, такие как 0(3Р), О('О), N('8), ОН‘, НО2’, реакции которых приводят к росту концентрации долгоживущих активных частиц, таких как Оз, Н2О2, N0. Радикалы реагируют с молекулами загрязнителей воздуха и инициируют их деструкцию до продуктов глубокого окисления.
На протяжении последних десятилетий нетермическая плазма широко используется в различных областях науки и техники (газовые лазеры, плазмохимические реакторы, генераторы озона и т.д.). Применение нетермической плазмы для очистки воздуха требует достижения низких энергозатрат и отсутствия выброса нежелательных побочных продуктов, таких как озон, окислы азота и продукты частичного окисления.
Для повышения эффективности систем обработки газов нетермической плазмой развиваются комбинированные методы, основанные на совместном воздействии плазмы и катализаторов. Такое сочетание может снизить энергозатраты и уменьшить выбросы побочных продуктов. Положительный эффект возникает в результате взаимодействия активных частиц

Таблица 2. Деструкция паров веществ в газовых смесях комбинированием генерируемой в среде плазмы и катализаторов.
Тип разряда Тип комбинирования Катализатор Способ размещения катализатора Вещество/ концентрация, ppm Максимальная эффективность удаления паров (плазма/плазма+кат.), % Плотность энергии, Дж/л Источник
ДБР одноступенчатый ТЮ2 на внутренней поверхности диэлектрика Бензол/105 33/61 900
ДВР одноступенчатый А120з гранулы в зоне разряда Толуол/220 -/65 110
ДБР одноступенчатый 1,5% ТЮг/у-АЬОз3 гранулы катализатора смешанные со стеклянными шариками Бензол/100 30/48 680
3% TiOz/y-AbOj5 30/
5% Т102/у-А12Оз5 30/
корона одноступенчатый ТЮ2 нанесён на стекловолокно, в разряде Бензол/500 81/
l%Ptffi02 81/
ДБР одноступенчатый 7% Ag/СеОг гранулы катализатора в реакторе Формальдегид/276 57/99 108
у-А^Оз 57/
5 Количество ТЮ2, нанесённого на у-А1203.