针阵列对板电晕放电及其与催化结合脱硝研究

论文摘要

本论文对针-板式直流电晕放电电极间距进行优化，修正推导伏安关系式，并使用光学发射光谱进行电晕放电微观特性研究；将电晕放电与TiO2光催化剂以及一种MnOx催化剂耦合协同作用去除NOx，并初步分析了去除机理。绪论中首先给出了电晕放电定义、分类，综述了各类电晕放电在环境污染治理中的应用现状，并指出它们的优点和缺点。然后对光学发射光谱法OES诊断等离子体研究进展进行了综述，认为目前国内外用OES法对针板式直流电晕放电的研究尚未开展，针板式直流电晕放电的微观特性需深入研究。接着着重对低浓度NOx的危害和污染现状进行了综述，得出低浓度NOx危害隐蔽而持久，更为广泛且难以防范，开展对低浓度NOx去除的研究工作势在必行。最后对等离子体法和催化法脱硝现状进行了综述，认为两种方法在脱硝过程中存在诸多缺陷，指出将二者结合共同作用是脱硝的未来发展方向，提出用针阵列对板电晕放电、纳米TiO2和MnOx三者协同作用去除低浓度NOx。以放电功率密度大小为判据，兼顾放电稳定性，分别考察针板间距dNP和相邻针尖间距dNN对针-板式直流电晕放电的影响，确定最佳相邻针尖间距约为20mm，最佳针板间距为20-30mm，以此为根据设计出优化的放电反应器结构。近似推出针对板直流电晕放电伏安关系式为c=I/U（U-Us），测量最优电极结构下电晕放电的伏安特性，根据测得的U、I值作出c-U曲线，以c-U曲线形状为判据区分放电阶段。考察针尖半径α对伏安特性的影响，发现只有当α约为1mm时实验曲线c-U中平滑段c值与计算结果相吻合，用Uc代替伏安关系式中的Us，修正推导得到针-板式电晕放电伏安关系式为，I≈（?）。综合考虑放电区能量密度和放电稳定性，得到最佳针尖半径为小于等于lmm。最后考察了相对湿度对伏安特性和放电稳定性的影响。利用光学发射光谱仪对多针对板电晕放电中放电间隙内的N2发射光谱进行测量，放电反应器置于暗箱中以避免外界对光谱测量的影响，将光谱仪的光纤耦合入口固定在暗箱侧壁的小孔内，小孔孔径为光纤耦合入口直径（为lmm），在小孔前方安装孔径为1．1mm的细直管，只采集与光纤耦合入口在同一直线上的发光，避免放电区其它区域的发光被同时接收。反应器可上下和左右移动，发射光谱单次测量可得到光纤耦合入口所在直线上的光强之和。用内层光强之和减去外层光强之和，得到针尖周围各点处光谱强度，由此确定了电离区形貌。分析得到高能电子数ne与光谱强度成正比，故电离区内高能电子分布被确定。N2的第二正带跃迁发射光谱强度ISPB在电离区内的总和（?）与放电电流近似成正比，计算确定了（?）与ne之间的数值关系，提出一种通过测量电晕放电电离区内ISPB的大小粗略测定ne的方法。用微弧放电法制备和固定TiO2，达到TiO2制备和固定一次完成，得到的TiO2粒径为纳米级，同时机械强度高。将制得的TiO2作为地电极，实现电晕放电与光催化剂耦合PPC，共同作用去除较低浓度NOx。将PPC对NOx的去除效果与单纯使用电晕放电的去除效果进行比较，并考察了放电极性、放电功率对PPC去除NOx效果的影响。PPC法脱硝在放电功率较高时仍具有较高的能量效率，解决了等离子体放电脱硝中放电功率高则能量效率低的问题。对正电晕放电产生NOx的规律和机理进行了初步研究，认为电晕放电自身产生NO2，故PPC无法完全脱除NO2。将以硅铝分子筛为载体、掺杂Fe等过渡金属的MnOX催化网安装在PPC装置后以完全去除NO2，对MnOx催化网对NO2的去除效果和使用寿命进行了考察。对使用前后的MnOx催化网进行线性扫描和红外光谱分析，得到使用后催化剂比表面积、总孔容和总孔面积明显减小，N-O键增多，初步分析认为NO2被MnOx催化网去除的机理为先吸附后发生催化反应为酸。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 电晕放电概述
• 1.1.1 电晕放电定义和分类
• 1.1.2 电晕放电在气体污染物治理中应用
• 1.2 OES法诊断等离子体进展
• 1.2.1 国内研究进展
• 1.2.2 国外进展
• 1.3 氮氧化物的危害
• 1.4 脱硝研究现状
• 1.4.1 等离子体法
• 1.4.2 催化法
• 2研究进展及应用'>1.5 纳米TiO₂研究进展及应用
• 2制备研究进展'>1.5.1 纳米TiO₂制备研究进展
• 2固定技术研究进展'>1.5.2 TiO₂固定技术研究进展
• 2脱硝技术研究进展'>1.5.3 TiO₂脱硝技术研究进展
• 1.5.4 微等离子体氧化法简介
• 1.6 本论文研究意义和内容
• 1.6.1 研究意义
• 1.6.2 研究内容
• 第2章 多针对板电晕放电电极间距确定
• 2.1 实验装置
• 2.2 实验结果及讨论
• 2.2.1 负电晕放电电极间距确定
• NN对放电功率密度影响'>a. d_NN对放电功率密度影响
• NP对放电功率密度的影响'>b. d_NP对放电功率密度的影响
• 2.2.2 正电晕放电电极间距确定
• NN对放电功率密度影响'>a. d_NN对放电功率密度影响
• NP对放电功率密度影响'>b. d_NP对放电功率密度影响
• 2.3 本章小结
• 第3章 多针对板电晕放电伏安特性研究
• 3.1 多针对板电晕放电伏安特性
• 3.1.1 电晕放电伏安特性
• 3.1.2 伏安关系式推导
• 3.1.3 c值确定
• 3.2 针尖半径对伏安特性影响
• 3.2.1 实验结果
• 3.2.2 伏安关系式修正
• 3.3 相对湿度对伏安特性影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 多针对板电晕放电光学发射光谱研究
• 4.1 实验装置
• 4.2 实验原理
• 4.3 电离区形貌测定
• 4.3.1 负电晕
• 4.3.2 正电晕
• a. 正辉光放电
• b. 击穿流光放电
• SPB与I关系确定'>4.4 I_SPB与I关系确定
• 4.5 n的确定
• 4.6 本章小结
• x'>第5章 针阵列对板电晕放电与光催化协同去除NO_x
• 5.1 实验装置
• 5.1.1 实验装置
• 2光催化剂制备和表征'>5.1.2 TiO₂光催化剂制备和表征
• 5.2 实验结果与讨论
• 5.2.1 放电极性选择
• x效果'>5.2.2 电晕放电及PPC去除NO_x效果
• 5.2.3 能量效率
• x研究'>5.3 正电晕放电产生NO_x研究
• x成分分析'>5.3.1 电晕放电产生NO_x成分分析
• 2产生量影响'>5.3.2 气体停留时间对NO₂产生量影响
• 2产生量影响'>5.3.3 放电功率对NO₂产生量影响
• 2产生量影响'>5.3.4 相对湿度对NO₂产生量影响
• 5.4 本章小结
• x去除NO₂研究'>第6章 MnO_x去除NO₂研究
• x催化剂表征'>6.1 MnO_x催化剂表征
• x协同去除NO₂'>6.2 PPC与MnO_x协同去除NO₂
• x催化剂耐受性实验'>6.3 MnO_x催化剂耐受性实验
• 6.4 去除机理初步分析
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间公开发表的论文
• 致谢
• 研究生履历