基于交替吸附-低温等离子体强化催化的苯系物净化综合实验平台.pdf
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1、 实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 6 期 2023 年 6 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.6 Jun.2023 收稿日期:2023-02-04 基金项目:国家重点研发计划项目(2017YFC0211800);北京航空航天大学教学改革项目(XJZD202130-1);教育部产学合作协同育人项目(202002200008)作者简介:孙也(1985),女,吉林通化,博士,高级实验师,主要研究方向为实验教学与环境污染控制技术,。通信作者:朱天乐(1963),男,江西萍乡,博士,教授,主要研究方向为大气污染控制技术,。
2、引文格式:孙也,纪盛元,邵明攀,等.基于交替吸附-低温等离子体强化催化的苯系物净化综合实验平台J.实验技术与管理,2023,40(6):155-161.Cite this article:SUN Y,JI SY,SHAO M P,et al.Comprehensive experimental platform for BTEX purification based on alternating adsorption-low temperature plasma enhanced catalysisJ.Experimental Technology and Management,2023,40
3、(6):155-161.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.06.024 基于交替吸附-低温等离子体强化催化的 苯系物净化综合实验平台 孙 也1,2,纪盛元1,邵明攀1,李梦歆1,申芳霞1,2,朱天乐1,2(1.北京航空航天大学 空间与环境学院,北京 102206;2.北京航空航天大学 北京市环境工程教学示范中心,北京 102206)摘 要:室内空气中的苯系物对人体健康危害大。该文研制了基于吸附、催化和低温等离子体技术的净化室内苯系物的综合实验平台,平台由吸附/催化双功能材料模块、低温等离子体发生器、风
4、道系统和控制系统构成,可长时间连续净化低浓度苯系物,实现吸附/催化材料的原地再生和无 O3二次污染的绿色目标。该平台提高了大气污染控制工程、环境综合实验等实验课程的高阶性、创新性、挑战度,有助于培养学生创新思维和解决实际工程问题的综合能力。关键词:室内空气质量;苯系物;交替吸附;低温等离子体强化催化;实验平台 中图分类号:X511 文献标识码:A 文章编号:1002-4956(2023)06-0155-07 Comprehensive experimental platform for BTEX purification based on alternating adsorption-low
5、temperature plasma enhanced catalysis SUN Ye1,2,JI Shengyuan1,SHAO Mingpan1,LI Mengxin1,SHEN Fangxia1,2,ZHU Tianle1,2(1.School of Space and Environment,Beihang University,Beijing 102206,China;2.Beijing Experimental Demonstration Center of Environmental Engineering Education,Beihang University,Beijin
6、g 102206,China)Abstract:Benzene toluene ethylbenzene&xylene(BTEX)in indoor air has significant harm for human health.This paper designs an experiment platform for alternating adsorption-enhanced catalytic treatment of BTEX by plasma.The experiment platform consists of adsorption/catalysis dual-funct
7、ion module,low-temperature plasma generation module,pipeline system and control system.The development of the experiment platform achieves the green goal of continuous control of low concentration BTEX for a long time without O3 secondary pollution.The teaching application of the platform enriches t
8、he form and content of experimental courses such as air pollution control engineering and environmental comprehensive experiment,and helps to cultivate students innovative thinking and comprehensive ability to solve practical engineering problems.Key words:indoor air quality;BTEX;alternate adsorptio
9、n;low-temperature plasma enhanced catalysis;experimental platform 室内空气质量是政府和公众关注的热点问题1-2。苯系物(benzene toluene ethylbenzene&xylene,BTEX)是室内空气的典型污染物之一,包括苯、甲苯、二甲苯等,广泛存在于人们的生活环境中,对神经、血液、生殖系统有较强的危害3-4,减少室内空气中的 BTEX有助于健康中国目标的实现。156 实 验 技 术 与 管 理 新风净化是保证室内空气质量、去除 BTEX 的一种典型方法,近年来,住宅新风系统越来越普遍5-6。吸附技术是新风系统中最常
10、用的 BTEX 净化技术之一,具有吸附材料价格便宜、化学性质稳定、孔结构密集、比表面积大等特点。然而,该系统也面临吸附剂容易饱和,更换后需异地再生或处置等问题7-8。催化氧化技术可将 BTEX 直接转化成 CO2和 H2O,但由于催化剂价格较贵、耐水性差且易失活、需要定期更换,给实际应用增加了负担9-10。低温等离子体含有高能电子、激发态粒子和自由基等活性物种,可直接将BTEX 氧化成 CO2和 H2O,但存在处理能耗高、易出现 O3二次污染等问题11-12。工程实践表明,目前市场上单一技术无法满足 BTEX 日益严格的净化需求。因此,创新净化手段,并研发能耗低、无二次污染、可长时间运行的技术
11、和产品是未来室内空气净化的主要发展趋势。基于室内空气 BTEX 净化的绿色目标,本文提出了一种交替吸附-低温等离子体强化催化处理 BTEX的方法,并研制了综合实验平台。该平台能够有效地净化低浓度 BTEX,同时能够解决吸附/催化材料原地再生和降低 O3二次污染的技术难题13-14。此外,该实验平台还可进行材料吸附穿透、低温等离子体重整催化剂再生和长周期循环等实验,为新风系统工程的实 际应用提供理论数据支持,同时也为大气污染控制工程实验和环境综合实验等课程提供了丰富的教学内容,有助于提高学生的综合能力和思维水平。1 实验平台设计方案 1.1 实验平台设计要求 交替吸附-低温等离子体强化催化处理
12、BTEX 综合实验平台旨在模拟公共场所新风净化系统的应用需求,实现室内空气 BTEX 的绿色净化。平台设计思路如图 1 所示,设计要求如下。(1)日常净化模式。开启主风道运行模式,关闭低温等离子体发生器,污染气体经过吸附/催化双功能模块,在常规风速下吸附脱除 BTEX,保证公共场所室内的空气质量。(2)夜间再生模式。关闭主风道,开启高浓度低温等离子体循环管道和旁路风机,形成闭环系统循环模式。在低风速条件下开启低温等离子体发生器,低温等离子体可以直接净化 BTEX,并强化催化材料上吸附态的 BTEX,使其彻底转化成 CO2和 H2O 等小分子物质。同时低温等离子体放电产生的 O3可以直接与气态
13、BTEX 发生反应,未发生反应的 O3在催化剂的作用下会生成活性物种,并进一步净化材料表面吸附态的 BTEX,因此有效避免了 O3二次污染,且有利于吸附/催化双功能材料再生。图 1 交替吸附-低温等离子体强化催化处理 BTEX 设计思路图 1.2 实验平台构成 实验平台由多个部件构成,包括主风道、低温等离子体循环管道、吸附/催化双功能材料模块、低温等离子体发生器、风阀、控制器、主风机、旁路风机、鼓泡式 BTEX 发生器等。其中,吸附/催化双功能材料模块和低温等离子体发生器是两个核心技术部件。(图 2)1.2.1 吸附/催化双功能材料模块 由于蜂窝材料具有易定型、机械强度良好、孔隙均匀规律且不易
14、堵塞的特点,因此吸附/催化双功能材料采用蜂窝状结构制备而成。蜂窝状吸附/催化双功能材料块体尺寸为 45 mm30 mm33 mm,蜂窝孔数为192 个,如图 3(a)所示。吸附/催化双功能材料蜂窝状块体装载于 AL6061 铝合金制成的壳体中。为了降低迎风阻力,将起固定作用的铝合金外壳的迎风面设计成筛网的形状(在风道的断面风速 2.5 m/s 的条件下,外壳阻力低于 20 Pa)。工程应用中通常采用平行阵列式模式装载材料,这种方式对风速影响较大,易造成床层前后压降增加,因此本设计采用 W 形框体 孙 也,等:基于交替吸附-低温等离子体强化催化的苯系物净化综合实验平台 157 图 2 交替吸附-
15、低温等离子体强化催化处理 BTEX 实验平台 图 3 吸附/催化双功能材料模块构成示意图 进行装载。W 形框体尺寸为 225 mm305 mm 200 mm,如图 3(b)所示。1.2.2 低温等离子体发生器 自主设计的低温等离子体发生器采用齿-板放电原理,在锯齿片放电极与平板接地极之间施加直流高压,电晕放电可产生低温等离子体。组件由厚度为 1 mm 的 AL6061 铝合金材料制成,如图 4 所示。锯齿片放电极具有双侧等间距放电齿,每侧均布 7 个放电齿尖端,放电异极距为 23.5 mm,放电齿尖由切割相邻两个 14 mm 的圆弧形成(图 4(a)),放电极有效长度定义为顶端装配孔和低端装配
16、孔在反应器轴向的距离。低温等离子体发生组件由 5 组锯齿片放电极和 6组平板接地极(图 4(b))串接而成(图 4(c)),迎风截面尺寸为 225 mm305 mm。图 4 低温等离子体发生器构成示意图(单位:mm)158 实 验 技 术 与 管 理 1.2.3 交替吸附-低温等离子体强化催化处理主机 交替吸附-低温等离子体强化催化处理主机是实验平台的核心,由吸附/催化双功能模块和低温等离子体发生器两个关键组件串联而成,两侧分别增加了 10 cm矩形风管,并在矩形风管两侧安装了自动控制风阀,控制主风道的开启或关闭,实现两种工作模式间的转换。在矩形风管侧面还安装了再生旁路风管,形成高浓度低温等离
17、子体循环管道,并在旁路风管上安装旁路风机,采用轴流风机降低风速,以保证在低风速条件下的运行。在出口侧的矩形风管处还设置了安全吸附模块,严格保证系统净化质量,如图 5 所示。图 5 交替吸附-低温等离子体强化催化处理 BTEX 主机 1.2.4 风道系统 平台主风道符合国家标准空气净化器(GB/T 188012015)中对于风道式净化装置的要求。其中,圆形风管的直径为(3005)mm,矩形风管尺寸为225 mm305 mm,矩形风管与圆形风管之间采用变径风管连接。主风道风机为 GDF35-8 型调频风机,可实时调频以控制风量,风量的大小使用 Testo405-V1 型风速仪测定。高浓度低温等离子
18、体循环管道的直径为(205)mm,风机为 82HBL 小型轴流风机。在主风道和高浓度低温等离子体循环管道的入口和出口处均设置了采样口。1.2.5 BTEX 发生装置 基于 BTEX 溶液鼓泡发生原理,本实验平台设计了有机玻璃材质的 BTEX 发生装置,装置由空压机、流量控制器、发生塔和储液罐等 4 部分组成。实验选用甲苯(C7H8)作为代表性苯系物15-16,在储液罐中装入 C7H8溶液,储液罐放置在 0.2 恒温水浴槽中鼓泡产生 C7H8气体。开启空压机,产生洁净空气,并通过流量控制器调节清洁空气的流量。当洁净空气高速通过 laskin 喷嘴时,与 C7H8气体在发生塔内混合,模拟一定浓度的
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