本發(fā)明屬于低溫等離子體技術領域和惡臭污染治理領域，尤其涉及一種低溫等離子體協(xié)同催化去除氨氣的方法和設備。

背景技術：

氨氣是大氣環(huán)境中常見的無機惡臭物質，主要來源于生活垃圾填埋場、堆肥廠、廢水處理中心、畜牧業(yè)、養(yǎng)豬場等。未經適當處理氨氣的排放會造成惡臭公害，威脅人類健康，因此氨氣的相關排放源設施或場所經常受到鄰近社區(qū)居民的投訴。到目前為止，很多技術包括溶液吸收、吸附、熱解、生物過濾等被開發(fā)和應用，以減少氨氣的排放，但是這些技術往往受操作條件或經濟成本限制而存在一定的局限性。

近年來，低溫等離子體除臭引起了人們的廣泛關注，被認為是一種去除大氣污染物清潔而有效的方法。低溫等離子體技術通過高壓放電產生大量活性物質(臭氧、羥自由基、氧自由基等)以及多種原子分解氧化惡臭氣體。在環(huán)保領域應用的相關設備中，低溫等離子體主要通過電暈放電、輝光放電、火花放電、弧光放電、介質阻擋放電等方式產生，其中介質阻擋放電和電暈放電最為常見。介質阻擋放電根據(jù)電介質數(shù)量分為單介質阻擋放電(singledielectricbarrierdischargeplasma,sdbd)和雙介質阻擋放電(doubledielectricbarrierdischargeplasma,ddbd)，其中ddbd放電更加均勻，可防止產生電弧，同時可防止腐蝕性氣體污染內電極，因此更具工程實用性。盡管ddbd低溫等離子體對氨氣具有較高的去除率，但在實際運行過程中為保證氨氣高的去除率往往需要加載較高的電壓，導致體系能量效率偏低，且ddbd去除氨氣過程中不可避免地產生o3和nox等副產物，限制了該技術的工業(yè)化應用。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明要解決的技術問題

本發(fā)明在ddbd低溫等離子體的基礎上，將兩種不同的催化劑(γ-al2o3和mno2)分別與ddbd低溫等離子體相結合，用來去除氨氣，相較于單獨ddbd等離子體系，等離子體催化體系的氨氣去除率和能量效率更高，同時明顯抑制o3和nox等副產物的產生。

用于解決技術問題的方法

針對上述問題，本發(fā)明提出了一種ddbd低溫等離子體反應器和ddbd低溫等離子體去除氨氣的方法。

一種ddbd低溫等離子體反應器，其包括：等離子體反應器具有雙層管狀結構，包括內管、外管、放電電極和接地電極其中放電電極覆蓋在外管外表面，接地電極置于內管內側，外管和內管通過聚四氟乙烯堵頭固定，外管兩端有進氣口和出氣口，外管和內管的間隙部份全部或部分填充有催化劑。

一種實施方式為，其中，內管和外管的材質為石英管、玻璃管或陶瓷管，每個石英管與一個電極接觸。

一種實施方式為，其中，內管和外管為圓柱形石英管，內管與外管的放電間隙為3～5mm。

一種實施方式為，其中，催化劑為γ-al2o3催化劑或mno2催化劑。

一種實施方式為，其中，放電電極由銅箔制成，接地電極由銅螺紋桿制成。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種ddbd低溫等離子體反應裝置，其包括調壓器、高壓高頻交流電源和上述的ddbd低溫等離子體反應器。

根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種等離子體去除氨氣的方法，其中，在催化劑的存在下實施等離子體去除。

一種實施方式為，其中，催化劑為γ-al2o3催化劑或mno2催化劑，催化劑通過石英棉承載固定。

根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種等離子體去除氨氣的方法，其中使用上述的等離子體反應裝置，通過進氣口通入指定濃度的氨氣，通過控制調壓器和高壓高頻交流電源，使得等離子體反應器中產生穩(wěn)定的低溫等離子體，處理完后的氣體通過出氣口排出。

本發(fā)明的有益效果

和單獨ddbd反應器去除氨氣技術相比較，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1.去除率和能量效率更高

如圖2和3所示，在氨氣初始濃度為100ppm，氨氣流速為2l/min，輸入功率為28.98w條件下，當氧氣含量為0％時，ddbd聯(lián)合γ-al2o3對氨氣的去除率為70.68％，體系能量效率為3.58×10-6mol/kj，均為單獨ddbd的1.7倍；ddbd聯(lián)合mno2對氨氣的去除率為58.00％，體系能量效率為2.78×10-6mol/kj，均為單獨ddbd的1.3倍。

2.保證氨氣高去除率的同時明顯抑制了o3副產物的產生。

如圖2和3所示，在氨氣初始濃度為100ppm，氨氣流速為2l/min，輸入功率為28.98w條件下，當氧氣含量為5-20％時，ddbd聯(lián)合γ-al2o3、ddbd聯(lián)合mno2以及單獨ddbd對氨氣的去除率均為100％，體系的能量效率均為4.79×10-6mol/kj。如圖4所示，當氧氣含量為5-20％，o3副產物產生量為ddbd聯(lián)合γ-al2o3﹤ddbd聯(lián)合mno2﹤單獨ddbd。其中，當氧氣含量為20％時，單獨ddbd產生的o3濃度為525ppm，而ddbd聯(lián)合mno2的o3濃度為45ppm,ddbd聯(lián)合γ-al2o3的o3濃度為12ppm，均明顯低于單獨ddbd體系。

3.明顯抑制了nox副產物的生成。

如圖5所示，在氨氣初始濃度為100ppm，氨氣流速為2l/min，輸入功率為28.98w條件下，當氧氣含量為5-20％，nox副產物產生量為ddbd聯(lián)合γ-al2o3﹤ddbd聯(lián)合mno2﹤單獨ddbd。其中，當氧氣含量為20％時，單獨ddbd產生的nox濃度為442ppm，而ddbd聯(lián)合mno2的nox濃度為41ppm,ddbd聯(lián)合γ-al2o3的nox濃度為23ppm，均明顯低于單獨ddbd體系。

從以下示例性實施方案的描述中，本發(fā)明的進一步特征將變得顯而易見。

附圖說明

圖1是低溫等離子體協(xié)同催化去除氨氣的裝置；

圖2-3是低溫等離子體協(xié)同催化去除氨氣的去除率和能量效率；

圖4是低溫等離子體協(xié)同催化去除氨氣時生成o3濃度；

圖5是低溫等離子體協(xié)同催化去除氨氣時生成nox濃度。

1—調壓器；2—高壓高頻交流電源；3—雙介質阻擋放電等離子體反應器；4—石英棉；5—催化劑

具體實施方式

以下對本公開的一個實施方式具體地說明，但本公開并非限定于此。

本發(fā)明要解決的是ddbd低溫等離子體去除氨氣時能量效率偏低和生成o3和nox等副產物的問題，具體實施步驟如下：

1.ddbd低溫等離子體反應系統(tǒng)的建立

本發(fā)明使用的ddbd低溫等離子體反應系統(tǒng)包括調壓器、高壓高頻交流電源和ddbd低溫等離子體反應器，如圖1所示。等離子體反應器具有雙層管狀結構，使用兩個圓柱形石英管作為電介質，每個石英管與一個電極接觸。內管(外徑8mm，厚度1mm，長度450mm)靠近接地電極，外管(19mm，厚度1.5mm，長度360mm)的外表面與連接電源的放電電極接觸，內管與外管的放電間隙為4mm。放電電極由銅箔(厚度0.1mm，長度200mm)制成，接地電極由銅螺紋桿(4mm×500mm)制成，外管兩端設計有進氣口和出氣口。

2.ddbd聯(lián)合γ-al2o3催化劑體系的建立

將2克γ-al2o3催化劑均勻添加到等離子體放電區(qū)(外管和內管之間)，用石英棉承載固定。

3.ddbd聯(lián)合mno2催化劑體系的建立

方法同步驟2，將催化劑換作mno2。

4.ddbd聯(lián)合催化劑體系對氨氣的去除

分別在ddbd聯(lián)合γ-al2o3催化劑體系和ddbd聯(lián)合mno2催化劑體系中通入指定濃度的氨氣，通過控制調壓器和高壓高頻交流電源，使得等離子體反應器中產生穩(wěn)定的低溫等離子體，測定反應前后氨氣的濃度變化并計算氨氣的去除率和能量效率，測定反應過程中o3和nox的生成濃度。

實施例

通過實施例更詳細地描述本發(fā)明，但本發(fā)明不限于下述實施例。

實施例1

利用調壓器(0-250v)和高壓高頻交流電源(南京蘇曼電子公司ctp-2000k)在ddbd反應器中產生低溫等離子體。選擇氨氣作為實驗氣體，氨氣初始濃度均為100ppm，采用n2作為平衡氣體。氨氣濃度采用氨氣檢測儀(lh-901)實時檢測，反應副產物o3由臭氧分析儀(ecouv-100)測量，nox由煙氣分析儀(testo350)進行在線檢測。在9.125khz的恒定頻率和2l/min的固定流速下，通過往配氣系統(tǒng)中增加o2，選擇0％、5％、10％、15％、20％共5種不同氧氣含量，分別對比氨氣在單獨ddbd反應器和ddbd聯(lián)合γ-al2o3催化劑體系之間的去除率、能量效率和生成副產物之間的差異。

氨氣去除率計算公式為：

系統(tǒng)能量效率計算公式為：

式中，[nh3]in為進氣口的氨氣濃度，ppm；[nh3]out為出氣口氨氣濃度，ppm；q為氨氣流速，l/min；p為輸入功率，w；vm為氣體摩爾體積，l/mol。

如圖2和3所示，在輸入功率為28.98w條件下，當氧氣含量為0％時，ddbd聯(lián)合γ-al2o3催化劑體系的氨氣去除率為70.68％，能量效率為3.58×10-6mol/kj，而單獨ddbd反應器的氨氣去除率為43.86％，能量效率為2.10×10-6mol/kj，ddbd聯(lián)合γ-al2o3催化劑體系的氨氣去除率和能量效率明顯高于單獨ddbd反應器。

如圖4所示，當氧氣含量為5-20％時，ddbd聯(lián)合γ-al2o3催化劑體系產生的副產物o3濃度明顯低于單獨ddbd反應器。當氧氣含量為20％時，單獨ddbd反應器產生的o3濃度為525ppm，而ddbd聯(lián)合γ-al2o3催化劑體系產生的o3濃度為12ppm。

如圖5所示，當氧氣含量為5-20％時，ddbd聯(lián)合γ-al2o3催化劑體系產生的副產物nox濃度明顯低于單獨ddbd反應器。當氧氣含量為20％時，單獨ddbd反應器產生的nox濃度為442ppm，而ddbd聯(lián)合γ-al2o3催化劑體系產生的nox濃度為23ppm。

實施例2

利用調壓器(0-250v)和高壓高頻交流電源(南京蘇曼電子公司ctp-2000k)在ddbd反應器中產生低溫等離子體。選擇氨氣作為實驗氣體，氨氣初始濃度均為100ppm，采用n2作為平衡氣體。氨氣濃度采用氨氣檢測儀(lh-901)實時檢測，反應副產物o3由臭氧分析儀(ecouv-100)測量，nox由煙氣分析儀(testo350)進行在線檢測。在9.125khz的恒定頻率和2l/min的固定流速下，通過往配氣系統(tǒng)中增加o2，選擇0％、5％、10％、15％、20％共5種不同氧氣含量，分別對比氨氣在單獨ddbd反應器和ddbd聯(lián)合mno2催化劑體系之間的去除率、能量效率和生成副產物之間的差異。氨氣去除率和系統(tǒng)能量效率計算方法同實施例1。

如圖2和3所示，在輸入功率為28.98w條件下，當氧氣含量為0％時，ddbd聯(lián)合mno2催化劑體系的氨氣去除率為58.00％，能量效率為2.78×10-6mol/kj，而單獨ddbd反應器的氨氣去除率為43.86％，能量效率為2.10×10-6mol/kj，ddbd聯(lián)合mno2催化劑體系的氨氣去除率和能量效率明顯高于單獨ddbd反應器。

如圖4所示，當氧氣含量為5-20％時，ddbd聯(lián)合mno2催化劑體系產生的副產物o3濃度明顯低于單獨ddbd反應器。當氧氣含量為20％時，單獨ddbd反應器產生的o3濃度為525ppm，而ddbd聯(lián)合mno2催化劑體系產生的o3濃度為45ppm。

如圖5所示，當氧氣含量為5-20％時，ddbd聯(lián)合mno2催化劑體系產生的副產物nox濃度明顯低于單獨ddbd反應器。當氧氣含量為20％時，單獨ddbd反應器產生的nox濃度為442ppm，而ddbd聯(lián)合mno2催化劑體系產生的nox濃度為41ppm。

工業(yè)實用性

使用本發(fā)明的等離子體反應器，去除率和能量效率更高，在保證氨氣高去除率的同時明顯抑制了o3副產物和nox副產物的產生，具有良好的工業(yè)實用性。

此實施例僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。

技術特征：

1.一種ddbd低溫等離子體反應器，其特征在于，包括：等離子體反應器具有雙層管狀結構，包括內管、外管、放電電極和接地電極，其中放電電極覆蓋在外管外表面，接地電極置于內管內側，外管和內管通過聚四氟乙烯堵頭固定，外管兩端有進氣口和出氣口，外管和內管的間隙部份全部或部分填充有催化劑。

2.根據(jù)權利要求1所述的反應器，其中，內管和外管的材質為石英管、玻璃管或陶瓷管，每個石英管與一個電極接觸。

3.根據(jù)權利要求1所述的反應器，其中，內管和外管為圓柱形石英管，內管與外管的放電間隙為3～5mm。

4.根據(jù)權利要求1所述的反應器，其中，催化劑為γ-al2o3催化劑或mno2催化劑。

5.根據(jù)權利要求1所述的反應器，其中，放電電極由銅箔制成，接地電極由銅螺紋桿制成。

6.一種ddbd低溫等離子體反應裝置，其包括調壓器、高壓高頻交流電源和權利要求1-5中任一項所述的ddbd低溫等離子體反應器。

7.一種等離子體去除氨氣的方法，其特征在于，在催化劑的存在下實施等離子體去除。

8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其中，催化劑為γ-al2o3催化劑或mno2催化劑，催化劑通過石英棉承載固定。

9.一種等離子體去除氨氣的方法，其特征在于，使用權利要求6的等離子體反應裝置，通過進氣口通入指定濃度的氨氣，通過控制調壓器和高壓高頻交流電源，使得等離子體反應器中產生穩(wěn)定的低溫等離子體，處理完后的氣體通過出氣口排出。

技術總結

本發(fā)明屬于低溫等離子體技術領域和惡臭污染治理領域，尤其涉及一種低溫等離子體協(xié)同催化去除氨氣的方法和設備，DDBD低溫等離子體反應器，包括：等離子體反應器具有雙層管狀結構，包括內管、外管、放電電極和接地電極；放電電極覆蓋在外管外表面，接地電極置于內管內側，外管和內管通過聚四氟乙烯堵頭固定；外管兩端有進氣口和出氣口，外管和內管的間隙部份全部或部分填充有催化劑；催化劑為γ?Al2O3催化劑或MnO2催化劑，通過石英棉承載固定。使用本發(fā)明的等離子體反應器，氨氣去除率和體系能量效率更高，且能明顯抑制O3副產物和NOx副產物的產生，具有良好的工業(yè)實用性。

技術研發(fā)人員：陸文靜;代輝祥;雅威

受保護的技術使用者：清華大學

技術研發(fā)日：2020.05.14

技術公布日：2020.08.14