張寧 王瑤瑤 黃超 賀曉楊 楊振民

摘要 主要探究同軸圓筒式介質阻擋放電反應器的電源參數(shù)以及在其內部添加生物質對煙氣中NO轉化效率的影響。分析了電源參數(shù)以及不同種類生物質（工業(yè)木屑、農作物秸稈）的填充對NO轉化效率的影響。結果表明：該系統(tǒng)最適脫除頻率為9.1 kHz；各種生物質中NO轉化效率最高的是工業(yè)木屑，其他3種生物質的脫除效率也都優(yōu)于無填充。對不同種類生物質分別進行了酸堿改性處理，并進行了電鏡掃描（SEM）分析，結果表明：工業(yè)木屑的最佳酸堿改性條件是1%的HCl溶液、4%的NaOH溶液，玉米秸稈的最佳酸堿改性條件是4%HCl溶液、2%NaOH溶液，水稻秸稈的最佳酸堿改性條件是3%HCl溶液、8%NaOH溶液，小麥秸稈的最佳酸堿改性條件是4%HCl溶液、2%NaOH溶液。

關 鍵 詞 介質阻擋放電（DBD）；生物質；酸堿改性；NO轉化；脫除效率

中圖分類號 X701? ? ?文獻標志碼 A

Study on denitrification by dielectric barrier discharge filled industrial wood chips

ZHANG Ning1，2， WANG Yaoyao1， HUANG Chao1， HE Xiaoyang1， YANG Zhenmin1

（1. School of Energy and Environmental Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China；2. Tianjin Academy of Eco-environmental Sciences， Tianjin 300191， China）

Abstract Dielectric barrier discharge （DBD） is often used as a low temperature plasma technique for the removal of contaminants from flue gases. The effects of power parameters， DBD filled biomass （industrial wood chips， corn straw， rice straw and wheat straw） on NO removal efficiency were studied. The research shows that the optimal power frequency of the test system is 9.1 kHz; Industrial sawdust and three kinds of crop straw （corn straw， rice straw and wheat straw） are used as filling substances， and the removal efficiency of NO is order as industrial wood chips > corn straw > wheat straw > rice straw > no filling.Industrial wood chips and the three kinds of straw are also modified by acid and alkali to study the effect of NO removal efficiency and make the electron microscope scan. The results show that 6% NaOH solution treated industrial wood chips， Corn straw treated with 2% NaOH solution， rice straw treated with 4% HCl solution and wheat straw treated with 3% HCl solution have the best removal effect of No.

Key words dielectric barrier discharge; denitrification; industrial wood chips; NO conversion; modification

0 引言

國家快速發(fā)展經(jīng)濟的同時對能源的需求也不斷增加。關于NOx的排放問題在我國已經(jīng)非常嚴重。關于氮氧化物的排放來源有很多，具體有化工生產(chǎn)排放、電站鍋爐以及機動車尾氣排放等。根據(jù)相關數(shù)據(jù)顯示我國氮氧化物排放量在1990年是878 萬t，但在2010年排放量已達到2 398 萬t，因此應該進一步對氮氧化物的污染排放進行分析，加強法律法規(guī)的制定，同時對氮氧化物的控制技術的評估也要深入研究[1-2]。

目前，低溫等離子體技術被認為是較有發(fā)展前景的一種NOx脫除技術，因其在放電過程中產(chǎn)生高能電子以及氧化性基團等因素在氣體污染物處理領域中發(fā)展迅速[3-4]，施蘊曦等[5]分析發(fā)現(xiàn)這種在常溫下產(chǎn)生等離子體的放電形式對NOx的轉化有良好的效果，具有一定的應用前景。研究發(fā)現(xiàn)單獨的DBD對NOx的去除效率并不是很高，需要通過添加催化劑、吸附劑等物質來提高對NOx的轉化效率[6-8]。謝春雪等[9]研究發(fā)現(xiàn)，催化劑的加入對污染物質的高效脫除起了很大的促進作用。王東[10]在放電區(qū)間添加γ-Al2O3，發(fā)現(xiàn)其可以增強介質阻擋放電的放電強度，更好的吸附NO，提高轉化效率。一段式Fe2O3/γ-Al2O3在NO/C2H4氛圍下，能促進強氧化自由基·CH3O2的生成，降低能量損耗、高效脫硝。朱曉等[11]通過研究發(fā)現(xiàn)，作為活性炭來源物質之一的生物質對NOx的轉化有明顯的促進作用。生物質材料因具有來源廣泛，取材方便，經(jīng)濟環(huán)保，可循環(huán)利用等優(yōu)點受到了廣泛的關注。

在氣體污染物治理方面，介質阻擋放電技術具有高效率、低能耗、無二次污染、適用范圍廣且系統(tǒng)結構簡單等特點，因此在大氣污染物控制研究方面得到較為廣泛的使用。同時工業(yè)木屑和生物質秸稈等物質，其產(chǎn)生量大，如果以其作為添加物質，通過與介質阻擋放電技術相結合對NO進行轉化，實現(xiàn)了廢棄物利用的同時達到緩解環(huán)境污染問題，具有一定的意義。本文以不同種類生物質材料為研究對象，主要研究了工業(yè)木屑對NOx轉化效率的影響，并以農作物秸稈作為對照試驗。工業(yè)木屑和農作物秸稈表面具有多種官能團可用于高分子材料的制備[12]。為提高吸附處理對NOx的脫除效率，需要通過改性處理提高生物質的比表面積以及孔隙結構。因為生物質對NOx的高吸附率與高比表面積和大孔容相關。對于生物質改性目前最常用的改性方式包括物理、化學、生物處理法以及水熱處理法。

1 實驗裝置與計算方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置共有3個部分，首先進氣系統(tǒng)是由氣瓶和質量流量計組成，然后連接著煙氣分析裝置，氣體經(jīng)過煙氣分析裝置分析，最后進入堿液吸收，接著排入大氣，實驗裝置如圖1所示。

本次實驗中通過調節(jié)氣體減壓閥，使氣瓶中的O2，NO，N2在流量計具體數(shù)值流量控制下通過混合器均勻混合，隨后進入DBD反應器發(fā)生反應，通過等離子電源和示波器控制反應參數(shù)條件，同時煙氣分析儀可對各氣體成分進行測定，最后排放的尾氣則有堿液吸收裝置進行吸收。

本實驗所采用的電源為CTP-2000K型號的高壓交流電源，它是由CTP-2000K主機和調壓器兩部分組成，其相關參數(shù)如表1所示。

實驗中使用的單介質DBD反應器中的介電材料覆蓋在接地電極表面，內電極為不銹鋼材質，放電介質為石英，各部分尺寸分別為：DBD反應器總長度為360 mm，等離子體放電區(qū)域的長度為150 mm，外電極接地端直徑為25 mm，內電極接地端直徑20 mm，單邊放電區(qū)域的直徑為6 mm。

1.2 工業(yè)木屑和秸稈改性方法

對工業(yè)木屑（實驗所用工業(yè)木屑，取材于雙口鎮(zhèn)福春家具廠廢料倉庫）和農作物秸稈等進行了改性處理，具體處理方法有堿溶液處理（NaOH）和酸溶液處理（HCl）。

堿溶液處理是通過使用不同質量分數(shù)的NaOH溶液（2%、4%、6%、8%），然后將需要處理的材料與堿溶液混合攪拌均勻后放入到恒溫水浴鍋中，當水浴鍋達到微沸時將材料放入進行恒溫加熱30 min左右，在這期間需要不停用玻璃棒攪拌混合物，然后取出用棉麻布過濾，清水洗滌多次直至呈中性后放入電熱鼓風干燥箱中進行烘干處理。

酸溶液處理是使用質量分數(shù)不同的 HCl 溶液（1%、2%、3%、4%），其余步驟基本與堿處理一樣。

1.3 計算方法

NO轉化效率可按式（1）計算：

式中：[ηNO]是NO轉化效率，%；[Cin，NO]是NO的進氣濃度，10-6；[Cout，NO]是NO的出氣濃度， 10-6。

能量輸入密度ε可按式（2）計算：

式中：ε是單位時間內處理定量煙氣所消耗的能量，J/L；U是反應器施加輸入電壓，V；I是反應器的輸入電流，A；Q是煙氣進氣流量，L/min。

2 實驗結果與分析

2.1 電源頻率對輸出電壓的影響

為了探究電源的工作最佳狀態(tài)，需要尋找最適宜的電源頻率。本文將電源輸入電壓設置為30 V，調節(jié)放電頻率在6～12 kHz范圍內，通過示波器示數(shù)讀取并記錄在固定輸入電壓下，調節(jié)頻率旋鈕改變電源頻率能得到的最大輸出電壓，其結果如圖2所示。

在空載和載氣條件下，當電源頻率不斷增加時，輸出電壓均呈現(xiàn)先增長后降低的趨勢，且在8.5～9.5 kHz范圍內陡然增長達到峰值，隨后開始斷崖式下跌，且示波器波形開始紊亂，間接說明其在9.1 kHz時可取得最大峰值輸出電壓。其原因在于介質阻擋放電的電源是串聯(lián)諧振式負載機理，當電源頻率與其基礎諧振頻率一致時可以達到共振，即負載的諧振頻率，諧振點電流可達正常脈沖電流的300%，輸出電壓亦會達到最大值。在載氣系統(tǒng)中，隨著放電頻率的繼續(xù)增加，周期減小，放電減弱，NO被氧化成NO2的進度受阻減慢，氮氧化物氧化度會減小，因此本實驗將電源頻率設置為9.1 kHz。

2.2 DBD結合生物質秸稈和工業(yè)木屑對NO轉化效率的影響

實驗中電源頻率、輸入電壓范圍分別為9.1 kHz、20～50 V，以生物質秸稈和工業(yè)木屑作為添加物，結合介質阻擋放電技術對NO的轉化效率的影響如圖3a）、b）所示。

從圖3a）可以看出，在相同能量輸入密度下工業(yè)木屑的添加可以更大幅度的提高NO的轉化效率。在能量輸入密度為3 000 J/L時，NO的轉化效率從原來的43%上升到65%，可知工業(yè)木屑對NO轉化的促進明顯。作為木工行業(yè)的廢棄物，工業(yè)木屑已其廉價易得且可作為吸附物質而獲得廣大研究學者的喜愛[13]。它的吸附能力主要來自自身官能團之間的反應以及各離子間的交換。能量輸入密度升高可以有效提高工業(yè)木屑吸附位點的利用率，提高對污染物的吸附量[14]。

由圖 3b）可以看出，在能量輸入密度相同的情況下，在介質阻擋放電反應區(qū)間添加生物質秸稈對NO的轉化效率也有大幅度提高。生物質秸稈的成分中含有高分子有機物，這些有機物中內的C、H可以通過化學反應對NO進行轉化，如式（3）、式（4）所示。

秸稈等生物質的主要成分是有機物，所含有的碳元素呈現(xiàn)負價態(tài)、氫元素則呈現(xiàn)正價態(tài)[15-16]，但由于導電效果差而具有的強還原性反而更好的促進NO的轉化。隨著能量密度的增加，上述反應式對NO的轉化效率增加，但連續(xù)不斷的電流電壓升高達到秸稈等生物質所能承受的最大溫度，開始出現(xiàn)燒焦的現(xiàn)象，降低了生物質的重復使用率。不同生物質秸稈結合DBD對NO的轉化能力最強的是玉米秸稈，其次為水稻秸稈和小麥秸稈，但三者本身的吸附能力并沒有相差太多。玉米秸稈脫除效率最高主要是因為玉米秸稈本身的孔隙率比較大，在放電區(qū)間發(fā)生高壓放電時可以產(chǎn)生更多的還原性碳和氫，玉米秸稈較大的比表面積使其可以擁有較大的吸附性能從而對NO的吸附量更大。對比圖 3a）可以看出，3種生物質秸稈的脫除效率都低于工業(yè)木屑，可見工業(yè)木屑吸附方面的優(yōu)越性。

2.3 改性工業(yè)木屑填充DBD對NO轉化效率的影響

工業(yè)木屑的內部含有纖維素和木質素等成分，是還原性良好的一種生物質，同時它具有羥基、羧基等官能團，具有一定的吸附性能。在來源方面易于獲得，可作為良好的吸附材料[15，17]。吳艷等[18]利用表面活性劑的吸附性能對樟木木屑進行改性處理，觀察其經(jīng)過改性后吸附性能的變化，改性過后的吸附效果較之前增加了4倍。任丹丹等[19]則是通過熱解以及NaOH浸泡法對松木的木屑進行了改性處理，結果顯示改性松木屑對亞甲基藍的吸附量最大增加近100 mg/L，增加了近10倍。結合本次實驗結果，可見工業(yè)木屑是一種性能比較好的吸附材料。

2.3.1 堿處理改性木屑結合DBD對NO轉化效率的影響

將改性后的工業(yè)木屑填充于DBD反應器中，研究不同濃度NaOH溶液處理對NO轉化效率的影響，結果見圖4。

由圖4能夠看出，在能量輸入密度相同的條件下，不同質量分數(shù)的NaOH溶液改性工業(yè)木屑添加到放電區(qū)間后，NO的轉化效率都要高于沒有經(jīng)過處理過的工業(yè)木屑，當能量輸入密度為3 000 J/L時，質量分數(shù)為6%的NaOH溶液處理的工業(yè)木屑可以使NO轉化效率從沒有處理時的62%上升到72%左右，促進效果良好。

2.3.2 酸改性木屑結合DBD對NO轉化效率的影響

用不同濃度的HCl溶液對工業(yè)木屑進行改性處理，并將改性后的工業(yè)木屑置于介質阻擋放電反應器內，觀察分析工業(yè)木屑經(jīng)不同濃度HCl溶液改性后對NO轉化效率的影響，結果見圖5。

由圖5可知，在能量輸入密度達到2 500 J/L時，HCl溶液質量分數(shù)為2%和4%時，通過HCl溶液改性的工業(yè)木屑結合介質阻擋放電對NO的轉化率相對最高。而1%和3%的HCl溶液改性的工業(yè)木屑與未經(jīng)處理的工業(yè)木屑基本一致，也有一定程度的提高。

2.4 改性秸稈填充DBD對NO轉化效率的影響

實驗中秸稈類生物質的內部組成成分有纖維素、半纖維素、木質素等物質。纖維素的分子式為（C6H10O5）n，其平均聚合度超過10 000，纖維素其內部分子上存在苷鍵，同時其內部存在的活潑醇羥基存在于每個結構單元這些因素共同決定了它的化學性質，3個羥基可以發(fā)生酯化、氧化、醚化等化學反應。木質素是一類復雜的有機聚合物，它的化學性質由內部官能團決定。改性可以增強秸稈類生物質的吸附性能，使它不僅具備傳統(tǒng)的物理性質，而且具有較大的表面積和較高的活性以及豐富的官能團。李雅麗等[20]利用 NaOH、H3PO4 溶液對小麥秸稈進行化學浸漬處理，實驗結果表明堿溶液處理后的秸稈比表面積優(yōu)于酸溶液處理的秸稈，并且堿溶液改性的秸稈吸附性也要強于酸溶液改性。

2.4.1 堿處理改性秸稈填充DBD對NO轉化效率的影響

將堿溶液改性處理后的3種秸稈填充于DBD反應器中，研究不同質量分數(shù)NaOH溶液處理農作物秸稈后對NO轉化效率的影響，結果見圖6。

由圖6a）可知，玉米秸稈經(jīng)過堿溶液（NaOH）改性處理后放入介質阻擋放電反應器，在能量輸入密度3 000 J/L時，經(jīng)過處理的改性玉米秸稈對NO的轉化效率明顯高于未經(jīng)過任何處理直接放入介質阻擋放電反應器內的玉米秸稈，濃度為2%的NaOH溶液處理后的玉米秸稈可以使NO去除率從未處理時的52%上升到82%，促進效果最好。

由圖6b）可知，經(jīng)NaOH改性后的水稻秸稈填充DBD對NO轉化效率影響低于玉米秸稈，但效果與比未進行任何處理的情況相比較，有一定的促進作用。在NaOH溶液的濃度為8%的情況下，能量輸入密度為3 000 J/L時，堿處理改性水稻秸稈可以使NO的轉化率從48%上升到71%，提升效果明顯。

由圖6c）可知，當NaOH溶液濃度為2%、4%時，改性小麥秸稈填充DBD對NO轉化效率最高。但整體轉化效率要明顯低于玉米、水稻秸稈。

經(jīng)分析可知，通過堿溶液改性處理的3種生物質秸稈對NO的轉化效率都高于未進行任何處理的情況。因為NaOH溶液中的堿性官能團能與生物質秸稈中的木質纖維成分產(chǎn)生皂化反應（式（5）），經(jīng)過反應在生物質的表面有大量羧基，表面活性位點的數(shù)量也有所增加，這樣對NO的轉化也有明顯的提高。Min等[21]使用NaOH溶液對含有木質纖維素的生物質改性，發(fā)現(xiàn)改性之后的材料內表面積增加，聚合度降低。

2.4.2 酸改性秸稈填充DBD對NO轉化效率的影響

用不同濃度的HCl溶液對3種農作物秸稈進行改性處理，在介質阻擋放電反應器內添加改性后的生物質，觀察不同濃度HCl溶液改性過后的材料對NO轉化率的影響，結果見圖7。

由圖7a）可知，HCl溶液濃度由1%增大至4%，改性玉米秸稈填充DBD對NO的轉化效率并不理想。造成這個情況的原因可能與玉米秸稈自身表面孔隙結構的發(fā)達情況有關。通過一定的水熱炭化處理使秸稈表面原本的結構遭到了損壞，比表面積遭到了破壞，所以轉化效率降低。

由圖7b）可知，改性水稻秸稈對NO的轉化率與HCl溶液的濃度呈正相關，在反應裝置的能量輸入密度為3 000 J/L時，酸改性的水稻秸稈填充DBD對NO的轉化效率均高于未經(jīng)處理的秸稈，并且HCl濃度為4%處理的水稻秸稈轉化效率達到81%。

由圖7c）可知，當HCl溶液濃度由1%增大到3%的過程中，相同能量輸入密度下改性小麥秸稈填充DBD對NO的轉化效率隨HCl濃度增大而增大；當HCl溶液的濃度增加至4%時，對NO的轉化效果反而降低。因此，對小麥秸稈的改性適當增加酸性溶液濃度，即可提高介質阻擋放電對NO的轉化率，但濃度過高，將對改性效果產(chǎn)生不利影響。

2.5 玉米和水稻秸稈改性前后形貌的研究

掃描電鏡（SEM）是觀察物質內部微觀形態(tài)的一種手段，它的工作原理通過聚焦的非常細的高能電子束對材料進行掃描，內部可產(chǎn)生各種物理信息。物質的微觀成像就是通過對這些信息的整合形成。對生物質材料的兩種化學改性方法中，2%NaOH溶液改性的玉米秸稈和4%HCl溶液改性的水稻秸稈效果更好，為了進一步了解改性處理對這兩種秸稈表面性能的影響，下文分析了水稻秸稈和玉米秸稈經(jīng)過改性后的SEM圖像。

2.5.1 玉米秸稈

玉米秸稈改性前后微觀SEM對比圖如圖8所示。

從圖8a）和b）中可以看出，用2% NaOH溶液改性處理的玉米秸稈其改性后外部形貌變化明顯。未經(jīng)過堿性溶液改性處理的的玉米秸稈外表面形態(tài)分布規(guī)則、且棱角分明，但少部分區(qū)域出現(xiàn)褶皺，在其周圍有細小薄片分布，孔隙結構總體發(fā)達。經(jīng)過質量分數(shù)為2%NaOH溶液處理后，材料表面結構發(fā)生變化，原本的結構變得粗糙，周圍的細小薄片隱約消失，表面微孔數(shù)量明顯減少，生物質纖維之間形成空腔，出現(xiàn)裂痕，玉米秸稈內部出現(xiàn)這種情況的原因可能與堿性溶液改性導致秸稈內部的果膠、纖維素、木質素等高分子物質與溶液反應，反應過后物質表面由于高分子鏈的斷裂形成大量自由基。處理后的玉米秸稈內部與NO反應的接觸面積增大，同時表面產(chǎn)生的大量自由基使得NO的反應位點增多，有利于NO的轉化。

2.5.2 水稻秸稈

水稻秸稈改性前后微觀SEM對比圖如圖9所示。

從圖9a）和b）的電鏡掃描分析結果可看到，沒有進行改性處理的水稻秸稈與4%HCl處理的水稻秸稈對比表面形態(tài)特征變化明顯。水稻秸稈沒有進行處理的時候，表面存在大量的褶皺和凹凸不平，褶皺之間連接緊實并且只有少量的孔隙；水稻秸稈經(jīng)過質量分數(shù)為4%的HCl溶液處理之后，表面上看起來非常的光滑、平整、緊致，之前的褶皺全都消失，有部分整齊的顆粒和豎狀突起。最主要的原因是，水稻秸稈內部存在一定的高分子聚合物，這些高分子聚合物與鹽酸溶液發(fā)生反應，發(fā)生溶解，表面活性粒子數(shù)量增加，對NO的脫除具有積極的促進作用。

3 結論和展望

1）高壓電源在固定頻率下有其最佳的工作效果，介質阻擋放電技術中的低溫等離子體高壓交流電源工作時也有其最佳工作頻率，將電源輸入電壓設置為30 V，當電源頻率為9.1 kHz時取得峰值電壓，因此將實驗系統(tǒng)的最佳電源工作頻率設置為9.1 kHz。

2）在相同的電源參數(shù)和氣體參數(shù)下，向介質阻擋放電反應器區(qū)間添加工業(yè)木屑和3種秸稈，工業(yè)木屑對NO的轉化效率最高，其次分別是玉米秸稈、小麥秸稈、水稻秸稈。

3）通過對生物質進行改性處理，其吸附性能增強，但每種材料都有其最佳的改性條件，對比得出工業(yè)木屑的最佳改性條件為6%NaOH溶液；玉米秸稈最佳改性條件為2%NaOH溶液、水稻秸稈的最佳改性條件為4%的 HCl溶液、小麥秸稈的最佳改性條件為3%的HCl溶液。

4）從SEM圖中可以看出改性后的兩種生物質都對DBD轉化NO有很明顯的促進作用，使用NaOH溶液改性對NO轉化效果最好的是玉米秸稈，而使用HCl溶液改性對NO轉化效果最好的是水稻秸稈。

影響介質阻擋放電轉化NO的因素有很多，DBD反應器內部參數(shù)、模擬煙氣成分、吸附劑和催化劑種類等，這些因素都會影響介質阻擋放電對NO的轉化。有相關研究發(fā)現(xiàn)[22]，溫度對反應也有一定的影響，隨著溫度的升高，NO轉化效率增高。同時濕度對轉化效率也有一定的影響，在低能量輸入密度下，濕度越大，NO轉化率也越低；而在高能量輸入密度的情況下，NO轉化效率不受影響。因此在實驗過程中應該設置有關濕度和溫度的記錄。在本實驗中所配置的模擬煙氣與現(xiàn)實產(chǎn)生的煙氣存在一定的差距，增強模擬煙氣的真實性，對介質阻擋放電技術在氮氧化物的脫除領域有一定意義。

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