1、本科毕业论文系列开题报告环境工程有机废气活性炭吸附再生一体化设备研制一、选题的背景与意义有机废气VOLATILEORGANICCOMPOUNDS,VOCS主要由挥发性有机化合物组成，工业有机废气在涂装、印刷、电子、化工及食品等行业的生产加工中大量地产生，有机废气产生严重的烟雾，难闻的恶臭，并且能够生成二次污染气体，有机废气有些成分具有毒性，使人体产生各种疾病甚至致癌。在空气净化领域中，低浓度有机废气的净化是个难题，这类废气的浓度较低，一般都在1000MG/M3以下，这种情况下采用回收或燃烧的方法是不经济的。吸附净化是脱除低浓度VOCS最常用的方法之一，其设备简单，操作成本低，吸附剂具有较多选择
2、性。活性炭是一种无毒无味，具有发达细孔结构和巨大比表面积的优良吸附剂，所以活性炭不仅用于污水和废水的处理，也用于有机废气的吸附去除。而活性炭使用一段时间以后，活性开始下降，不得不更换新炭，这种方法不但造成资源浪费，而且还大大增加了成本，所以实现活性炭的再生成为迫切的要求。目前，活性炭再生方法主要有这几大类加热再生法、药剂再生法、生物再生法、化学再生法、湿式氧化再生法等。由这些方法产生的活性炭再生设备种类繁多，有强制放电再生炉、自由电热式活性炭再生炉、回转窑式再生炉、热空气解吸装置等，然而这些设备存在着再生炉寿命短、间断生产、须人操作、炭磨损率相对较大、活性炭再生量小、活性炭再生率不高、不便于装
3、拆和维护、适应性不强等使用方面的不足，再者活性炭吸附和再生没有实现一体化。因此，研究影响有机废气吸附和活性炭再生因素，并对由这些因素带来的问题进行探究和解决，设计一个有机废气活性炭吸附再生一体化装置，实现活性炭吸附后再生利用，在提高资源利用率，低能耗和低成本方面具有重要的意义。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题在活性炭吸附应用于有机废气的净化中，为降低活性炭使用成本,需要对活性炭进行再生以重复使用，目前原位再生方式主要有脱附后催化燃烧,辅助设备较多，本课题拟通过设计一个一体化吸附再生实验装置，验证其净化有机废气及活性炭再生的效果，以期应用于有机废气的净化。在查阅文献的基础上，了解活性炭净化有
4、机废气及再生机理，通过搭建实验装置，考察搭建的一体化实验设备的效果及影响因素，对活性炭吸附再生一体化设备进行研究。三、研究的方法与技术路线1研究方法微波辐照再生法是在热再生法基础上发展起来的活性炭再生技术。微波辐照是一种比较理想的活性炭再生方法。微波加热使活性炭进一步活化提高吸附容量，用这种方法再生活性炭的时间短，耗能低，设备构造简单。活性炭吸附微波再生方法可分为两类。一是引入物质或能量使吸附质分了与活性炭之间的作用力减弱或消失使吸附质脱附；二是依靠热分解或氧化还原反应破坏吸附质结构而达到除去吸附质的目的。微波一般是指波长在1MM到1M范围相对频率为300300000MHZ的电磁波。微波在传输
5、过程中遇到不同的介质，依介质性质不同，会产生反射、吸收和穿透现象，这取决于材料本身的几个主要特性介电常数、介质损耗系数、比热、形状和含水量等。在微波炉中，磁控竹辐射出的微波在腔内形成微波能量场，并以极高的速度改变正负极性，使活性炭中吸附的极性分子随正负极性改变而高频改变方向，在相互碰撞、摩擦中产生高热量，被吸附在孔道中的水和有机物质受热挥发和炭化，活性炭的孔道重新打开，活性炭本身也要吸收微波而升温，烧失一部分炭，使孔径扩大，从而使活性炭恢复到原来的吸附活性。臭氧氧化再生法是用臭氧做氧化剂将吸附在活性炭上的有机物氧化分解，实现活性炭再生的方法。臭氧氧化再生会使活性炭表面酸性官能团增多，吸附苯酚的
6、能力下降，所以必须找出合适的臭氧用量，在不改变活性炭表面化学性质的条件下，除去苯酚和其他氧化副产物。2技术路线通过查阅文献，掌握活性炭净化有机废气及再生机理，设计一个活性炭吸附再生流程并进行论证，绘制图纸，搭建实验装置，考察实验装置的有机废气去除效果，探讨其影响因素，并对实验装置进行调整改进，以实现设计预期效果，撰写设计说明书。四、研究的总体安排与进度12010年11月26日2010年12月15日，完成开题报告和文献综述，进行开题；22010年12月16日2011年4月20日，设计实验流程，搭建实验装置，进行实验及数据整理。32011年4月21日2011年5月12日，完成论文的整理撰写工作，定
7、稿，准备答辩42011年5月13日，答辩。五、主要参考文献1刘晖,孙彦富,苏建华利用吸附催化燃烧法处理喷漆产生的有机气体J广州化工,200911121172江浩,郭杨龙,李佩晋低浓度挥发性有机废气的吸附净化J化学世界,2008,494216219,228,2543李婕,羌宁挥发性有机物（VOCS）活性炭吸附回收技术综述J四川环境,2007,2661011054李守信,金平,张文智采用活性炭纤维吸附装置回收VOC的优点分析J化工环保,2004Z12742765李守信,张文智等利用活性炭纤维有机废气吸附回收装置治理二氯甲烷废气J环境污染治理技术与设备,2002,3108687,946樊奇,羌宁挥发
8、性有机废气净化技术研究进展J四川环境,2005,2444044,497费小猛,张永春等脱除SO2活性炭的再生方法J化工环保,2006,2653783818颜幼平,陈凡植吸附法净化低浓度废气实验研究J环境污染治理技术与设备,2000,1476819吴文炳,陈建发,林小兰甘蔗渣微波制备活性炭吸附剂及其再生研究J湖北民族学院学报自然科学版,20102201203,21010赵大传,郭玉玲,李力不同微波条件对活性炭微波再生效率的影响研究J生态环境学报,2010,1951059106211刘靖,史可玉,孙晓芳活性炭微波再生方法研究J环境科学导刊,2010,2921412赵浩,董文龙,刘志英活性炭吸附苯酚
9、及其微波辐照再生效果J南京工业大学学报自然科学版,20101283213任玉灿,王占英,董炳辉自生电热式活性炭再生设备研究J河北建筑工程学院学报,2009,274575914何彩群,覃丽娟,田玲玲煤基活性炭生产与再生研究J工业安全与环保,2009,3511454715李平,王福连,袁鹏活性炭强制放电再生炉的机理及应用J江苏环境科技,2008,2121316徐胜男,羌宁,裴冰活性炭处理甲苯气体吸附再生实验研究J环境污染与防治,2008,3015759,6317连明磊,冯权莉,宁平活性炭吸附微波再生技术研究进展J贵州化工,2007,3214718JTMATHEICKAL,QYUANDJLINDEN
10、INSITUREGENERATIONOFPHENOLSATURATEDACTIVATEDCARBONUSINGETHANOLDEVELOPMENTSINCHEMICALENGINEERINGANDMINERALPROCESSINGVOLUME6,ISSUE5,1998,PAGES26327219MANGELESFERROGARCIA,JOSRIVERAUTRILLACHEMICALANDTHERMALREGENERATIONOFANACTIVATEDCARBONSATURATEDWITHCHLOROPHENOLSJOURNALOFCHEMICALTECHNOLOGYLOWTEMPERATURE
11、PLASMAADSORPTIONREGENERATION有机废气活性炭吸附再生一体化研制I目录1绪论211我国空气质量212有机废气污染现状213有机废气的来源与危害314有机废气的治理方法3141吸收洗涤法、冷凝法、生物膜法3142活性炭吸附法415活性炭再生5151热再生法5152减压再生法6153臭氧再生法6154光催化再生法6155微波超声波再生法716低温等离子体研究展望7161等离子体概述7162低温等离体的特点和产生方式8163废气净化低温等离子体作用原理8164废气净化低温等离子体的应用82研究思路与研究内容921存在的问题与研究思路922研究内容103活性炭吸附再生一体化设备
12、研制1031装置设计原理1032设备结构设计11321反应器结构11322实验装置系统134实验部分1441实验原理1442实验原料1543实验仪器1544实验方法1645实验结果与分析18451吸附过程实验结果与分析18452脱附过程实验结果与分析215设备结构的优化2551装置优化2552运行条件优化266结论26参考文献28致谢错误未定义书签。21绪论11我国空气质量2008年，全国有519座城市报告了空气质量数据，空气质量为一级标准的只有21个城市，占所有城市的比例是4，二级标准和三级标准的比例分别为728和218，其余所占比例约为14的7个城市空气质量低于三级标准。全国地级及以上城市
13、的达标比例为761，县级以上城市达标比例为856。空气质量达到国家一级标准的占22，二级标准占649，三级标准为269，劣于三级标准的为15。SO2年均浓度到达国家二级标准的占852，06劣于国家三级标准。酸雨分布很大部分集中在长江以南，云南、四川以东的地区。全国监测的447个城市（县），有528的城市出现酸雨，344的城市出现酸雨的频率在25以上，较重酸雨PH值达到45。我国能源结构煤炭所占比例为7612，工业能源结构燃煤占739，在工业中的燃煤设备主要是中小型为主，所以燃煤是造成我国大气污染的根本原因。我国的机动车辆也迅猛增加，大气污染中机动车排放的污染占城市60以上I。全国空气质量不容乐
14、观，酸雨污染较为严重。12有机废气污染现状我国城市工业化迅速，电子、塑胶、建材、印刷、化工等行业越来越壮大，这些行业的生产过程排入大气环境的有机废气含有苯系物、卤代烃、醇类、醛酮类等芳香族类化合物，并且数量也不断增加。美国环境保护署所列的废气中25种有毒有害排放物清单，就有18种是由我国上述行业所排放的，占有毒有害气体排量的742。另外，据监测数据计算，2004年我国二恶英排放总量为102千克毒性当量，其中向空气中排放50千克，水体中排放0041千克，残留物排放50千克，产品排放017千克。我国室内环境污染已成为人们关注的焦点，使用新建装修居舍和写字楼的人，相继出现头晕、头痛、咳嗽、平衡感觉失
15、调，流泪、眼、鼻、咽喉不适，以及频发的黏膜、皮肤和呼吸系统等多种临床症状II，这是由毒性有机污染物中毒所引起的。我国有机污物排放量不大，在上述行业均有检出，并且有的行业有机废气中的有机物含量很高，远远超出国家标准排放量，而有机污染物多为强毒性物质，已直接对人们的身体健康造成危害，因此，治理工业有机废气污染成为当前环境保护工作的一个重要3组成部分。13有机废气的来源与危害有机废气中的有机物主要是挥发性有机物，它与颗粒物一样，是一大类大气污染物。它们产生于石油化工行业排放的废气；造纸、采矿、油漆涂料、纺织和金属电镀等行业所排出的有机溶剂；交通工具排放废气及其他有可能排放有毒有害有机物的污染源III
16、，IV。有机废气主要来源于石油和化工行业生产过程中排放的废气，其数量较大，有机物含量波动性大、有一定毒性，可燃，有的有恶臭，而氟氯烃的排放还会引起臭氧层的空洞。石油、石化产品及化工工厂的存储设备设施，印刷及其它和石油和化工相关的行业，使用石油化工产品、石油的燃烧设备和场合，以石油作为燃料的交通工具和设施都是有机废气的源头V。挥发性有机物毒性强，生物难降解，在环境中存留时间长，因此十分容易在生物体内滞留，进而导致人和动物生理机能紊乱、畸变、癌变及雌性化等VIVIII。一般认为挥发性有机物能导致机体免疫平衡失调，影响中枢神经系统功能，出现头晕、头痛、嗜睡、无力、胸闷等自觉症状；还可能影响消化系统，
17、出现食欲不振、恶心等，严重时可损伤肝脏和造血系统，出现变态反应等V。14有机废气的治理方法有机废气的治理可采取预防措施，如用无毒或低毒的原材料替代或部分代替挥发性有机物，改进工艺技术或防治泄露或更换设备等从源头上杜绝有机废气的产生。而有机废气的末端治理主要有两类一类是回收法。回收法是通过物理方法，在一定温度压力下，用选择性渗透膜和选择性吸附剂等方法来分离挥发性有机化合物VOCS），主要包括吸收洗涤法、冷凝法、生物膜法和活性炭吸附等。另一类是消除法。消除法通过化学或生物反应，用热、光、催化剂和微生物等将有机物转化为二氧化碳和水，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
18、III，V。下面就简要介绍有机废气末端治理的这几种方法。141吸收洗涤法、冷凝法、生物膜法吸收洗涤法是采用不挥发或低挥发的溶剂洗涤吸收有机废气中的挥发性有机物，在用吸4收剂物理性质和挥发性有机物分子之间的物理差异来实现分离，有机物的去除效率取决于吸收剂性能和吸收设备的结构特征；冷凝法是利用物质在不同温度下的不同饱和蒸汽压，降低温度或提高系统压力，蒸汽状态的污染物质冷凝从而与废气分离，该法不适用与处理低浓度的有机气体，常作高浓度有机废气的净化处理，以降低有机负荷；生物膜法实际上是附着在滤料介质上的微生物在适宜的环境条件下利用废气中的有机物作为能源，以维持生命，最终把有机物分解为CO2和H2O，此
19、法具有设备简单，运行费用低，很少形成二次污染等优点，尤其利用在低浓度、生物降解性好的有机废气IX。142活性炭吸附法目前活性炭吸附法已成为城市污水、深度处理工业废水和净化处理污染水源的一个重要手段VII；同时，活性炭也广泛用于处理造纸、采矿、油漆涂料、纺织和金属电镀等行业所排出的有机溶剂，交通工具尾气的治理。活性炭吸附法是属于吸附法控制挥发性有机物污染中的一种。当有机废气或废水与多孔性固体（吸附剂）相接触时，固体表面存在的未平衡的分子化学键力或分子力把混合气体或废水中的挥发性有机物吸附留在固体表面，从而达到净化的目的，这种方法即为吸附法IX。常用的吸附剂有多孔炭材料、球状活性炭、活性炭纤维、蜂
20、窝状活性炭、新型活性炭以及分子筛、沸石、活性氧化铝、多孔粘土矿石、硅胶、磺化煤、彭润土以及吸附树脂等X。在有机废气和废水治理中，活性炭是最常用、应用最多的吸附剂。活性炭是一种无毒无味，具有发达细孔结构和巨大比表面积。其表面大量不饱和碳构成了独特的吸附结构，是一种典型微孔结构，孔隙开口在纤维表面，细粒或超微粒子以各种方式结合在一起，形成丰富的纳米空间，造就了较大比表面积。活性炭含有的许多不规则结构含有表面官能团的微结构或杂环结构，具有极大表面能；微孔相应的孔壁分子相互作用造就强大分子场，提供了一个吸附物分子物理和化学变化的高压体系。吸附质到达吸附位置的扩散路径比较短、孔径分布集中和驱动力大，这就
21、造成了活性碳比表面积大、吸脱附速率快、附效率高的重要原因。此外，活性碳表面含有系列活性官能团，主要为含氧官能团，如羰基、羟基、羧基等。有的活性碳还含磺酸基、胺基以及亚胺基等官能团。因此，活性碳纤维还具有独特的选择吸附性XI。活性炭吸附容量高，吸附灵敏度强；吸附、脱附行程短，速度快，耗能低；寿命长，强度高，无二次污染，但是活性炭不耐高温，易燃烧，在一定程度上限制了活性炭的使用范围。515活性炭再生活性炭回收成本高，废炭大多进行燃烧处理或是丢弃填埋，造成了二次污染，其次，活性炭价格较高，不利于工业大量使用，因此，活性炭吸附后再生利用，在提高资源利用率，低能耗、低成本、经济社会和环境的协调发展方面具
22、有重要的意义。所以，现代工业上的活性炭吸附总是伴随着活性炭再生过程。活性炭的再生即使吸附质脱离活性炭表面，是活性炭吸附的逆过程。循环再生过程中首要考虑保证再生炭的吸附性能的同时尽量减少对炭基质本身的影响。活性炭的再生方法可分为两类。一是通过引入物质或能量使吸附质与活性炭间的作用力减弱或消失来使吸附质去除；二是依靠热分解或氧化还原反应破坏吸附质结构而达到脱附的目的。随着活性炭用量的不断增加及对环境标准要求的提高，人们要求再生活性炭工艺简单，设备操作容易，再生过程和再生后一次污染尽量小，生产规模可随意控制X，XII。为了满足要求，在原有再生方法的基础上改进工艺和探索，目前国内外的活性炭再生方法主要
23、有减压再生法XIII、热再生法、生物再生法、湿式氧化再生法和催化湿式氧化法XIV、电化学再生法反应器XV、光催化再生法XVI、溶剂再生法XVII、超临界流体再生法、和微波超声波再生法XVIII等。在活性炭处理工艺中，这些方法并不都是单独应用的，有些工艺是混合利用的，如湿式氧化再生法和催化湿式氧化法中也运用到了热再生法，还有一些方法派生除了许多方法，热再生法有水蒸气再生法，N2再生法等。目前，活性炭处理废气中，吸附达到饱和的活性炭再生方法主要有热再生法、减压再生法、臭氧再生法XIX、光催化再生法、微波超声波再生法等，下面就简要介绍这几种方法。151热再生法加热再生法是目前工业上最成熟的、应用最多
24、的活性炭再生方法。处理有机废水后的活性炭在加热再生过程中，由加热到不同温度时有机物的变化，可分为三个阶段干燥、高温炭化、活化XX。在干燥阶段，主要是去除活性炭上可挥发成分；高温炭化阶段，活性炭吸附的一部分有机物沸腾、汽化脱附，一部分有机物分解，生成小分子烃脱附出来，残余成分留在活性炭孔隙内成为“固定炭”，在此阶段，温度将达到800到900，为避免活性炭的氧化，常在抽真空或惰性气氛下进行；接下来的活化阶段中，往反应釜内通入CO2，CO，N2，H2或水蒸气等气体，以清理活性炭微孔，使其恢复吸附性能，活化阶段是整个加热再6生工艺的关键XI。加热再生法再生效率高，再生时间短，应用围广，但再生过程中由于
25、炭颗粒会被流动性的氧化性气体带走，炭损失较大，一般在5至10，再生后炭表面发生了化学结构变化，活性炭机械强度下降，比表面积减小X。此外在加热再生过程，须外加能源加热，投资及运行费用较高，设备复杂不易小化，加热再生装置常存在炭粒相互粘结、烧结成块，造成局部起火或堵塞通道，甚至导致运行瘫痪。152减压再生法减压再生法也称为降压再生法或真空再生法，是属于引入能量使吸附质分子与活性炭之间的作用力减弱或消失使吸附质脱离的方法。吸附剂的吸附量是随着压力的升高而升高的，当压力降低时，脱附占优势，因此，降压或者抽真空，可以使吸附剂再生，这种方法极为减压再生法IX。例如，吸附在较高压力下进行的，减低压力可以使吸
26、附的物质脱离吸附剂得到解吸目的；吸附在常压下进行，可以采用抽真空的方法进行解吸。该法的最大优点是可以实现活性炭的原位再生。153臭氧再生法臭氧再生法是利用臭氧发生装置产生臭氧，其具有强氧化性，而活性炭吸附的有机物具有还原性或强还原性，有机物被氧化成无毒无害物质，或裂解成小分子物质，从而达到净化空气的目的。当活性炭的吸附量太大时，臭氧与活性炭也具有一定的反应活性，活性炭从外到里会均匀地消耗掉臭氧，有机物得不到氧化，具有较好吸附性能的微孔孔结构无法得到再生；而当活性炭的吸附量还比较小时，各类孔隙还未饱和，臭氧可以渗透到孔内与有机物反应，使得活性炭中各类孔隙得到有效的再生，从而使活性炭恢复其相应的吸
27、附性能。所以，当活性炭的吸附量比较小时，臭氧氧化对活性炭有很好的再生效率；而当活性炭吸附程度较饱和，臭氧对其几乎无再生能力，再者臭氧有一个较佳的处理时间，无限增加处理时间并不会提高活性炭的再生能力。154光催化再生法光催化再生法的原理是利用某波长范围的光，在特定催化剂存在的条件下，通过光化学7反应使吸附多种有机物饱和的活性炭的吸附能力得到恢复，借助光催化剂表面由光子激发产生的高活性强氧化剂将气体中绝大多数的有机及部分无机污染物氧化并使其逐步降解，最终生成CO2,H2O等无害或低毒物质XVI。光催化再生活性炭，可直接在紫外光照射下实现原位再生，而不需要其他步骤，再生工艺简单，设备操作容易，生产规
28、模随意控制，可以使用日光照射降低能耗，其不足之处是耗时长，处理效果不是很理想。155微波超声波再生法微波和超声波再生法，也是研究开发的新技术，用微波产生高温使活性炭上的有机吸附物炭化，恢复其吸附特性。微波作用是使有机污染物克服范德华吸引力开始脱附，随着微波能量的聚集，致热和非致热效应共同作用，有机污染物一部分燃烧分解放出二氧化碳或一氧化碳，另一部分炭化，从而达到去除有机物的目的。微波和超声波再生法具有工艺及设备简单、能耗小、节能高效、炭损失小、可回收有用物质等优点。16低温等离子体研究展望161等离子体概述早在1808年DAVY已对稳态直流弧光放电有研究，当时，也同时展开了对等离子体的科学研究
29、，随后在1928年LONGMUIR等人提出等离子体是除固、液、气三态以外的又一基本形态XXI。等离子体是由大量的离子、原子、分子或自由基等粒子组成的集合体，其中电子、负离子与正离子的含量几乎相等，所以是电中性。通常地球表面环境不具备产生等离子体的条件，而宇宙中等离子体是物质存在的普遍形式，99宇宙中的物质呈等离子态，因而等离子体被称为除固体、液体和气体以外的“第四态”XXII。等离子体的分类很多，按照热力学平衡方式可以分为三种。完全热力学平衡等离子体，也称高温等离子体。这类等离子体中电子温度TE、离子温度TI和气体TG温度三者完全一致，比如太阳内部的核聚变和激光聚变；局部热力学平衡等离子体，此
30、种等离子体没有达到完全的热力学一致，只是局部的TETITG3000K40000K,例如电弧等离子体、高频等离子体等；非热力学平衡等离子体，即低温等离子体。该等离子体内部电子的温度可以达到104K以上，而电子，分子，原子的温度却接近常温，及TETITG,形成热力学上的非平衡8性。162低温等离体的特点和产生方式低温等离子体因含有大量带电离子、高氧化活性物质和光、热等物理效应而被广泛用于污染物控制、O3产生和材料表面的改性等领域。归纳起来低温等离子体有以下几个特性XI提供大量带电粒子和活性粒子带电粒子和激发态粒子为化学反应提供活化能，在低温等离子体中，大多数的中性粒子和离子为环境温度，少数的电子具
31、有较高的能量，从而化学反应能在低温下进行；具有各向异性的能量分布低温等离子体由带电粒子集合而成，可以通过外部施加电磁场控制其能流方向；具有较高的能流密度低温等离子可以被电磁场约束在特定区域，产生较大能流密度，并且不会对器壁产生损害。根据放电产生的机理低温等离子体主要有辉光放电、脉冲电晕放电、滑动弧放电、介质阻挡放电、射频放电等这几种产生方式XXIII。163废气净化低温等离子体作用原理低温等离子体有机废气处理技术的基本原理，粒子活性物质氧化和非弹性碰撞的结果。低温等离子体含大量电子、离子、自由基和激发态分子，其中的高能电子与气体分子或原子相互发生非弹性碰撞，将能量传给基态分子或原子，发生激发、
32、解离和电离等系列过程，使粒子活化。一方面通过碰撞气体中的机污染物分解为小分子；另一方面，又产生OH,H等自由基，氧化性强的活性氧和O3对有机污染物降解XI。简单说来，在外加电场的作用下，介质放电产生的大量高能电子轰击有机污染物分子，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，使复杂大分子有机物分解为简单小分子物质，或使有害物质氧化成无害或低毒的物质，从而使污染物得以降解去除。164废气净化低温等离子体的应用20世纪60年代，西方国家就已经开始研究等离子体化学，到了80年代，等离子体技术被用来治理环境污染物。目前国内还没有工业化等离子水处理设备，只有瑞士国家实现了9等离子体处理挥
33、发性有机物的商业化应用，生产出的商业化产品PLASMACAT，并申请了世界专利。但是，大多数国家对该项技术还处于理论研究或是中试阶段，真正商业化的非常少。到目前为止，低温等离子体主要用来生产O3，降解挥发性有机物，烟道气的脱硫、脱氮、除尘，净化空气，固体颗粒的处理等，其工艺简洁，装置结构简单，节能，设备使用寿命长，适用工况范围宽，降解有机物快，所以应用范围极广。该技术能够应用于污水处理厂、石油化工、制药、污水处理、涂料、皮革加工、感光材料、汽车制造、食品加工厂、印染厂、垃圾处理厂、公厕、屠宰场、牲畜饲养场、鱼类加工厂、饲料加工厂等诸多能够产生恶臭异味的场所XXIV。随着研究方法和技术的深入发展
34、，运用多孔材料和等离子处理有机废气时，有机废气的净化效率增加了，因此，等离子体也被运用到改性多孔材料方面，以求改善多孔材料如活性炭性能和废气净化效率XXIV。研究发现，经等离子改性后的多孔材料表面具有新的功能，如化学稳定性提高，更好的亲水性等XXV。在化工领域、材料、环境工程等领域应用最多的是低温等离子体处理技术，等离子体技术是近几年来发展最快，研究最热门的技术之一。2研究思路与研究内容21存在的问题与研究思路活性炭吸附有机废气，吸附效率高，当吸附挥发性有机物达到饱和后，活性炭失去了吸附能力成为了废炭，废炭或被随意弃，或被填埋，或被燃烧。活性炭大多吸附有害挥发性有机物，甚至有些有机物具有剧毒，
35、遗弃和和填埋仍会给人类健康及环境造成巨大危害，废炭燃烧导致活性炭的大量浪费和产生二次污染，再者，燃烧不彻底有毒有机物同样没有被消除。工业活性炭吸附设备中废炭必须取出，运到厂外委托再生或装入独立的再生设备实现再生，这个过程不可避免有转移炭损失，简而言之，就是不能够实现原位再生且再生费用昂贵，而活性炭价格较高，工业使用量大，导致活性炭购买费用和再生费用高，势必造成有机废气的随意排放，无力处理行为。此外，目前活性炭再生设备种类繁多，有强制放电再生炉、自由电热式活性炭再生炉、回转窑式再生炉、热空气解吸装置等，然而这些设备存在着再生炉寿命短、间断生产、须人全程操作、炭磨损率相对较大、活性炭再生量小、活性
36、炭再生率不高、不便于装拆和维护、适应性不强等使用方面的不足。针对这些问题及活性炭再生设备的不足，本论文将有机废气活性炭吸附技术与低温等离10子体技术相结合，将活性炭置于等离子体中，通过活性炭的吸附作用将有机物富集到活性炭表面，等离子的各种物理和化学效应来降解活性炭吸附的有机物和废气中的挥发性有机物，同时，等离子的改性作用也提高了活性炭的吸附性能；当活性炭吸附饱和后，进行减压脱附，此时，等离子降解活性炭表面吸附的有机物和因减压脱离活性炭表面而进入气流中的有机物，实现活性炭的原位再生。22研究内容本论文以苯，这种典型的有机污染物为目标物，活性炭为吸附剂，设计一种活性炭填充等离子体反应装置，并验证在
37、低温等离子体降解有机物，等离体改性活性炭表面和活性炭吸附有机物三者的作用下装置的有机废气净化效果，以及在此过程中等离子体对活性炭的再生效果。具体研究内容如下设计一个活性炭填充低温等离子体反应装置，构造整个实验装置系统，为实验做准备；运行整个实验装置系统，通过监测有机废气有机物浓度以考察活性炭填充低温等离子体装置的净化效果；活性炭吸附有机物达到饱和后，减压运行实验装置系统，考察低温等离子体对活性炭的再生效果；分析实验过程和实验结果，讨论实验过程中对低温等离子体降解活性炭吸附有机物和低温等离子再生活性炭的影响因素，提出优化设备结构的建议。3活性炭吸附再生一体化设备研制31装置设计原理活性炭吸附再生
38、一体化设备涉及到四个基本原理，即活性炭的吸附原理，活性炭减压脱附原理、低温等离子体对活性炭的改性作用和低温等离子体降解有机物的原理。下面就这四个原理作简要介绍活性炭的吸附原理活性炭具有巨大比表面积，其表面能极大；还有发达细孔结构，微孔相对的孔壁分子相互作用形成强大的分子场，提供了一个吸附分子物理和化学变化的高压11体系，同时吸附质到达吸附位置的扩散路径比较短、孔径分布集中和驱动力大，这就是活性炭吸脱附速率快、附效率高的重要原因。此外，活性碳表面含有可以与吸附剂发生作用的系列活性官能团，主要为含氧官能团，如羰基、羟基、羧基等，有的活性碳还含有磺酸基、胺基以及亚胺基等官能团，有利于活性炭的化学反应
39、吸附和选择性吸附。活性炭减压脱附原理活性炭的吸附容量是随着压力的升高而升高的，压力升高，活性炭向吸附方向进行，压力降低，活性炭向脱附的方向进行。在常压下进行活性炭吸附，可用负压或抽真空的方法进行活性炭脱附。低温等离子体对活性炭的改性作用低温等离子具有高能电子、高能分子、高能分子和氧化性活性基团，通过对活性炭的表面进行撞击等物理作用和氧化等化学作用，对活性炭的表面进行刻蚀作用，大大增加了活性炭表面积和氧化性基团等活性基团，使活性炭对有机物的亲和吸附能力变强。活性基团可在活性炭表面重新键和，形成网状交联结构，在键和过程中有双键的形成，从而提高了活性炭的力学性质和表面性能。低温等离子体降解有机物的原
40、理在外加电场的作用下，介质放电产生的大量极高化学活性的粒子，如电子、离子、自由基和激发态分子等，这些粒子与有机物碰撞，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成无毒或低毒的物质，从而使污染物得以降解去除。32设备结构设计321反应器结构活性炭的吸附过程和再生过程在活性炭填充低温等离子反应器内进行，因此活性炭填充等离子反应器又叫活性炭吸附再生一体化装置。该装置是活性炭吸附再生一体化设备的核心装置，是有机废气净化的装置。该装置采用圆柱形结构，螺纹板式放电方式，是由直径为6MM，长为800MM的螺纹铁棒作为高压电极，
41、外径为70MM，厚度为3MM，总长为600MM的不锈钢筒作为接地电极构成。螺纹铁棒置于不锈钢圆筒中心，由密封不锈钢筒两端的正方形氟塑料垫片固定，两块氟塑料垫片各开一个直径为20MM的圆孔，作为有机废气的进气孔和出气孔，进出气孔分别由细密的金属网丝封住作为滤网。正方形氟塑料垫片是耐高温耐腐蚀，具有一定硬度的绝缘材料，其边长为40MM，厚度为4MM，可以方便从圆筒两端取下，便于装入活性炭。圆筒内部有两个同心圆柱空间和一个环形炭柱组成，具体结构见图31。12进气口金属滤网活性炭接地环氯塑料垫片螺纹铁棒出气口高压电极绝缘子金属滤网高压电极活性炭外筒体图31活性炭吸附再生一体化装置剖面图和平面图1332
42、2实验装置系统实验装置系统由有机气体发生装置，有机物阀，混合瓶，风机，转子流量计，进气采样阀和出气采样阀，U形测压管，活性炭吸附再生一体化装置，高压电源和常压电源，尾气处理箱组成，各装置通过耐腐蚀耐高温的塑料管连接，实验装置的各个构件在实验装置系统中的顺序见图32。910871112654133图32实验装置系统各编号所表示的装置和各装置的作用如下1有机气体发生装置，提供有机废气，是通过水浴使有机物挥发的；2有机物调节阀，用于调节有机废气浓度；3混合瓶，是空气和有机气体的混合场所；4风机可以鼓风，同时还可以进行抽吸；5进气采样阀，供测定进气浓度使用；6U形测压管，测定进气压力或抽气负压；7活性
43、炭吸附再生一体化装置，是活性炭吸附再生的场所；8接地线，作为负极使用，同时也防止触电危险；9高压电源提供25万伏的高压用以产生等离子体；10常压电源为风机提供220伏的交流电电压；11出气采样阀，供测定出气浓度使用；1412转子流量计，显示有机废气流量并可以调节有机废气流量；13尾气处理箱，处理排放的有机废气。4实验部分41实验原理本实验主要是利用活性炭富集苯，低温等离子体来降解苯，然后再根据质量守恒原理来考察活性炭吸附再生一体化装置的吸附效果和脱附效果的。低温等离子体降解苯原理和质量守恒原理简述如下低温等离子体降解苯原理苯分子是平面的正六边形结构，苯分子的6个碳原子和6个氢分子都在同一个平面
44、上，其所有的碳碳键都完全相同，每个碳碳键都具有闭合的大键，因此苯分了很稳定。碳碳键的键能为55EV，碳氢键的键能为45EV，当能量大于45EV的电子与苯分子发生非弹性碰撞时，电子的能量全部传给苯分子，从而导致碳碳键或碳氢键的断裂而形成自由基，这些自由基有的继续在高能电了的非弹性碰撞下，形成更小的碎片；有的在氧等离子体和臭氧的作用下，被彻底氧化CO2，CO和H2OXXVI，有的通过电离或离解形成其他碳、氧气和氢气，除氧气外都很容易被臭氧或氧等离子体氧化而形成最终产物。反应方程如下OHCOCOOOCHCHCHCHCHCHOHCOCOOOHCCHCHCHCHCHCHHCOHCOCOOOHCHHCHC
45、2232235666223565666,质量守恒原理测定苯废气中的苯进入活性炭吸附再生一体化装置的输入量和输出量，两个量之差就是该装置苯的净化量，实验中是用TVOC检测仪测定苯进入装置的进气浓度和出气浓度，玻璃转子流量计测定流量，计算的公式可以表示为TQM041由测定出的数据也可以计算活性炭吸附再生一体化装置的净化效率，计算公式为1500420活性炭吸附再生一体化装置苯进气浓度，MG/M3；活性炭吸附再生一体化装置苯出气浓度，MG/M3；Q苯废气流量，M3/H；T净化苯废气时间，H。苯废气净化效率，。42实验原料本实验所用药品试剂有氢氧化钠，NAOH，分析纯，沈阳化学试剂厂；苯，C6H6，分析
46、纯，国药集团化学试剂有限公司；本实验中所用木质颗粒活性炭，由沈阳市联邦试剂厂提供，直径约为15MM，长度23MM，表观密度为048G/CM3，实验中所用溶液均用去离子水配制。43实验仪器本实验所使用的仪器仪表有玻璃转子流量计（型号LZB4，空气20，101325PA，L/H）风机（型号HGX280）电子天平（型号FA2004N）数显鼓风干燥箱（型号GZX9140ME）TVOC检测仪（型号PGM7240）实验中的有机废气浓度采用PGM7240TVOC仪TVOC检测仪测定，此仪器应用了PID专利技术，PID检测仪使用了双腔光离子化检测器PID和被用作PID传感器的高能光源的无极放电式紫外UV灯。检
47、测器的双腔均被置于检测器的离子化室中，当有机气体通过灯时，被离子化，释放出的电子被检测为电流，第一腔的电流主要来自于离子化的气体，第二腔的电流检测离子化的气体和作为紫外光密度的函数的电子的光电束，据此检测出G/M3水平16的可离子化气体的浓度，且不需要频繁的校正XXVII。可检测低至1PPB浓度（十亿分之一）的有机物，尤其适合于剧毒有机化学品的检测及室内空气质量（IAQ）中TVOC（总挥发性有机化合物）的检测，本实验选用具有代表性的挥发性有机物苯。由于实验中用到的TVOC检测仪是以PPM单位计的，因此计算前还需要转换成MG/M3单位，换算公式43如下T273273PPM4227843有机物浓度
48、，MG/M3；M为气体分子量，此次实验中为苯气体，为78；PPM测定的体积浓度值，PPM；T温度，；PA压力，PA。TVOC仪的使用方法是将过滤罩套在TVOC检测仪采样探头上，然后将探头置于采样气流中，打开仪器，将仪器设置在TVOC测定位置，待仪器自检后显示“READY”，按下开始键，开始采集样品并显示数据结果。44实验方法活性炭的预处理方法取5000G活性炭浸没于10L01MOL/L的NAOH溶液24H，在沸水中煮30MIN，去离子水反复清洗至中性以去除粉末和杂质，105烘干至恒重，放置于干燥器中备用；活性炭吸附过程干洁空气干洁空气排气装置装置气体流向出气采样阀进气采样阀进气采样阀出气采样阀
49、17图41活性炭吸附实验系统如图41，设置两个一样的活性炭吸附再生一体化装置A和B，都分别用100G的备用的活性炭填满不锈钢筒内的空间，并把装置A和B平行放置在实验装置系统中；合上装置A的高压电源，断开装置B的高压电源，让装置A的不锈钢筒内产生等离子体，装置B内部无等离子体；同时打开装置A和B的常压电源，两个装置同时鼓入空气，调节玻璃转子流量计，保持气体流量为0280M3/H,打开进气采样阀和有机物阀，用TVOC检测仪测定苯进气浓度并调节到100PPM左右的浓度，及时记下苯进气浓度，同时打开装置A和B的出气采样阀分别测定装置A和B的苯出气浓度并做记录；继续保持进气浓度在100PPM左右，每隔10MIN分别测定装置A和B的苯进气浓度和出气浓度，并做记录，直到装置A和装置B的苯出气浓度基本保持不变为止，说明活性炭吸附以饱和，关闭所有电源，停止活性炭吸附过程。活性炭脱附过程在两个装置A和B中分别装入新的100G活性炭，首先进行第一次吸附，同时合上装置A和B的常压电源，风机鼓入空气，调节玻璃转子流量计，保持气体流量为0280M3/H,断开装置A和B的高压电源，使装置A和B同时通入苯有机废气，打
