黃立維，何聯(lián)候，金 圣

（浙江工業(yè)大學(xué) 生物與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310032）

線－筒式電暈反應(yīng)器去除二硫化碳廢氣研究

黃立維，何聯(lián)候，金 圣

（浙江工業(yè)大學(xué) 生物與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 杭州 310032）

采用線－筒式電暈反應(yīng)器對(duì)二硫化碳（CS2）廢氣的去除效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)考察了峰值電壓、載氣成分和水汽含量等因素對(duì)去除率的影響.結(jié)果表明：CS2在氬氣中的去除效果要好于在氮?dú)庵械娜コЧ?，其主要降解產(chǎn)物均為單質(zhì)硫.在氬氣中添加20%的氧氣后，CS2的最高去除率從44.9%提高到了63.4%，添加50%的水汽后從44.9%提高到了56.4%.CS2在氬氣和氧氣混合氣中的最終降解產(chǎn)物為CO，CO2，COS和SO2.

脈沖電暈；二硫化碳；分解

二硫化碳（CS2）作為一種常見的有機(jī)溶劑和化工原料，工業(yè)上主要應(yīng)用于生產(chǎn)粘膠纖維、玻璃紙、四氯化碳、農(nóng)藥和橡膠硫化過程等.針對(duì)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的CS2廢氣，傳統(tǒng)的處理方法包括冷凝法、吸附法和化學(xué)吸收法等［1－3］.但對(duì)于大氣量、低濃度CS2廢氣的處理，尚未有經(jīng)濟(jì)有效的方法.脈沖電暈技術(shù)作為一種新的有發(fā)展前景的廢氣治理技術(shù)之一［4－5］，其基本原理是通過前沿陡峭、脈寬窄（納秒級(jí)）的高壓脈沖電暈放電，能在常溫、常壓下產(chǎn)生大量高能電子和O、OH等活性粒子，將污染物氧化降解，最終達(dá)到無害化目的.黃立維等［6］利用線－筒式脈沖電暈處理低濃度甲苯廢氣，甲苯的去除率達(dá)到81%.另外在惡臭氣體處理中，李戰(zhàn)國等［7］通過脈沖電暈技術(shù)治理硫化氫廢氣，硫化氫的凈化率接近100%.

本實(shí)驗(yàn)采用線－筒式電暈反應(yīng)器處理CS2模擬廢氣，探討脈沖電暈法去除CS2廢氣的效果，考察了脈沖電暈在不同載氣成分、氧氣體積分?jǐn)?shù)和水汽體積分?jǐn)?shù)等條件下降解CS2的效果，為工業(yè)化應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示，氮?dú)饣驓鍤馀c氧氣分別通過減壓閥和流量計(jì)后，其中氮?dú)饣驓鍤夥殖蓛陕罚宦吠ㄟ^裝有CS2液體的吹脫瓶吹脫，另一路則直接通入緩沖瓶，再與氧氣混合形成模擬廢氣.氣體流量通過流量計(jì)來調(diào)節(jié)，反應(yīng)前后氣體采用環(huán)己烷溶劑通過活芯氣體采樣管吸收，經(jīng)紫外分光度計(jì)測定吸光度來計(jì)算去除率.實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行.

圖1 實(shí)驗(yàn)流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experiment process

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

1.2.1 高壓脈沖電源

實(shí)驗(yàn)中采用儲(chǔ)能電容通過旋轉(zhuǎn)火花間隙RSG向負(fù)載泄放方式產(chǎn)生脈沖高壓，具有上升沿陡峭、脈寬窄的特點(diǎn)，可使能量有效地注入反應(yīng)器，且電源自身能耗較小.其主要技術(shù)性能如下：輸出極性為正，輸出電壓0～60 k V連續(xù)可調(diào)，輸入電壓為交流電（220±22）V，頻率在0～200 Hz內(nèi)連續(xù)可調(diào)，脈沖寬度≤500 ns，前沿上升時(shí)間≤100 ns.

1.2.2 線－筒式電暈反應(yīng)器

本實(shí)驗(yàn)采用的線－筒式反應(yīng)器如圖2所示，圓筒材料為耐熱玻璃管，內(nèi)徑38 mm，內(nèi)壁襯有0.3 mm厚的鋁箔作為接地極，電暈線為直徑φ0.8 mm的不銹鋼絲，放電有效長度為100 mm.反應(yīng)器有效容積為113 mL.

1.3 分析方法

利用CS2極易和環(huán)己烷混溶的特點(diǎn)，以環(huán)已烷作吸收液吸收CS2，用紫外分光光度計(jì)（上海精科，UV759）測定其在波長320 nm處的吸光度［8］.本實(shí)驗(yàn)以該方法為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，采用二級(jí)吸收做試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)一級(jí)吸收已達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，且實(shí)驗(yàn)在室溫10℃以下進(jìn)行，揮發(fā)性對(duì)測定的準(zhǔn)確性影響較小，可用于實(shí)驗(yàn)分析.

圖2 線－筒式電暈反應(yīng)器示意圖Fig.2 Schematic diagram of wire-in-tube pulsed corona reactor

取采樣管裝入10 mL環(huán)己烷吸收液，采集氣體1 min.將采樣后的液體轉(zhuǎn)入10 mL具塞比色管中，先用環(huán)己烷補(bǔ)足10 mL后搖勻，然后與標(biāo)準(zhǔn)系列在320 nm波長下測定吸光度定量，按下式計(jì)算廢氣中CS2的質(zhì)量濃度：

式中：C為CS2質(zhì)量濃度，mg／m3；m為樣品中CS2含量，μg；V為氣體采樣體積，L.

反應(yīng)產(chǎn)物采用傅立葉紅外光譜儀分析（AVATAR370，Nicolet）.CS2的去除率定義為

式中：Ci為反應(yīng)前氣體的質(zhì)量濃度，mg／m3；Co為反應(yīng)后氣體的質(zhì)量濃度，mg／m3.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 CS2在不同載氣中的去除效果

分別以氮?dú)夂蜌鍤鉃檩d氣，保持氣體總流量為300 mL／min，CS2初始質(zhì)量濃度為110 mg／m3，脈沖頻率70 Hz，考察峰值電壓與去除率的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

圖3 CS2在不同載氣中的去除率Fig.3 Removal of CS2 in different gases

由圖3可知：當(dāng)峰值電壓從12.5 k V上升到20 k V時(shí)，CS2在氮?dú)庵械娜コ蕪?.8%提高到32.5%.這是因?yàn)殡S著峰值電壓的提高，電極間的電場強(qiáng)度增強(qiáng)，電暈放電所產(chǎn)生的高能電子、自由基等活性粒子也急劇增加的緣故.相比于在氮?dú)庵械娜コ?，CS2在氬氣中的去除率明顯增大，最高去除率從32.5%提高到44.9%.這一方面氬氣是單原子分子，而氮?dú)馐请p原子分子，部分能量被消耗在氮?dú)獾恼駝?dòng)自由度上；另一方面氬氣的存在使放電過程發(fā)生了潘寧電離產(chǎn)生Ar＊離子，提高了氣體的湯生第一電離系數(shù)（α值），從而一定程度上減小了起暈和擊穿電壓，放電更容易形成［9］.

反應(yīng)后檢查反應(yīng)器鋁箔內(nèi)壁，均發(fā)現(xiàn)有淡黃色粉末產(chǎn)生，經(jīng)測定為單質(zhì)硫.在氮?dú)庵械姆磻?yīng)機(jī)理和氬氣中的反應(yīng)機(jī)理［10］如下：

2.2 氧氣對(duì)CS2去除率的影響

以氬氣80%和氧氣20%混和氣為背景氣，保持氣體總流量300 mL／min，CS2初始質(zhì)量濃度110 mg／m3，脈沖頻率70 Hz，考察峰值電壓與CS2去除率的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示.

圖4 CS2在氬氣和氧氣混合氣中的去除率Fig.4 Removal of CS2 in the mixture of Ar gas and O2 gas

由圖4可知：CS2在氬氣和氧氣的混合氣中去除率較純氬氣下從44.9%（圖3）提高到了63.4%.在常溫下，電暈等離子體中的高能電子和氧自由基與有機(jī)物的反應(yīng)過程類似于燃燒過程.當(dāng)添加氧氣時(shí)，會(huì)產(chǎn)生O（3P）和O（2D）活性氧原子等強(qiáng)氧化性物質(zhì)，能將CS2氧化.

對(duì)CS2模擬廢氣電暈處理前后的氣體成分進(jìn)行傅立葉紅外分析.CS2在氬氣和氧氣中降解前后的產(chǎn)物分別如圖5，6所示.

對(duì)比圖5，6可知：產(chǎn)物主要包括CO2，CO，COS和SO2，可能的過程［11］為

從圖6中可看出COS峰面積較大，可判斷其在產(chǎn)物中所占比例較大，說明反應(yīng)式（5）為主反應(yīng)，主要是因?yàn)榉磻?yīng)中含有20%的氧氣.另外，SO2的峰面積大于CO2，這主要是由于加入了氧氣，促進(jìn)了反應(yīng)式（9，10）的進(jìn)行，即SO跟 O2反應(yīng)，進(jìn)而生成SO2.

2.3 水汽對(duì)CS2去除率的影響

以氬氣為背景氣，保持氣體總流量300 mL／min，初始質(zhì)量濃度110 mg／m3，脈沖頻率70 Hz，氣體通過鼓泡增濕進(jìn)入反應(yīng)器，加濕后氣流中的濕度約為50%.考察峰值電壓與CS2去除率的關(guān)系如圖7所示.

圖7 CS2在氬氣和水汽混合氣中的去除率Fig.7 Removal of CS2 in the mixture Ar gas and H2 Ov apor

由圖7可以看出：CS2的去除率比沒有添加水汽時(shí)從44.9%（圖3）提高到了56.4%，這是因?yàn)镠2O與高能電子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生OH等具有強(qiáng)氧化性的自由基，將CS2氧化降解.

尾氣先經(jīng)過無水氯化鈣干燥再通入紅外分析，降解產(chǎn)物如圖8所示.

圖8 CS2在氬氣和水汽中降解產(chǎn)物FT-IR譜圖Fig.8 FT-IR spectrum of the products from CS2 decomposition in Ar gas and H2 O gas

對(duì)比圖5，8發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物主要包括CO，CO2，COS和SO2，可能的過程［12］為

從圖8可知：其中CO2和COS所占比例較大，主要是由于添加水汽后，水分子電離產(chǎn)生了強(qiáng)氧化性自由基OH，OH與CS2的反應(yīng)以式（12，13）為主.

對(duì)于反應(yīng)過程中產(chǎn)生的二次污染物，可進(jìn)一步結(jié)合吸收法進(jìn)行處理，已有相關(guān)文獻(xiàn)［13］報(bào)道該法可有效去除有害產(chǎn)物，并提高去除率.

3 結(jié) 論

采用線－筒式電暈反應(yīng)器對(duì)CS2廢氣進(jìn)行去除的實(shí)驗(yàn)表明：氣體在不同載氣中的去除率不同，在載氣中添加氧氣和水汽均能提高去除率.在氣體總流量300 mL／min，初始質(zhì)量濃度110 mg／m3，峰值電壓20 k V，脈沖頻率70 Hz的條件下，CS2在氬氣中的去除效果較氮?dú)庵械娜コЧ麖?2.5%提高到了44.9%，主要降解產(chǎn)物均為單質(zhì)硫.當(dāng)氬氣中添加20%的氧氣時(shí)，CS2去除率從44.9%提高到了63.4%；添加50%的水汽時(shí)，則從44.9%提高到了56.4%.通過FT-IR對(duì)CS2在氬氣和氧氣混合氣中的氣相產(chǎn)物進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)主要降解產(chǎn)物為CO，CO2，COS和SO2.

［1］逄奉建.大型粘膠纖維廠廢氣處理的比較與分析［J］.青島大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，17（2）：88-92.

［2］黃妍，張俊豐.活性炭吸附微波技術(shù)再生處理黏膠纖維廢氣的研究［J］.環(huán)境污染處理技術(shù)與設(shè)備，2005，6（9）：7-74.

［3］張清建，孔渝華.EZ-2寬溫氧化鋅精脫硫劑的工業(yè)應(yīng)用［J］.天然氣化工，2006，36（5）：41-43.

［4］CHANG J S.Physics and chemistry of plasma pollution control technology［J］.Plasma Sources Science and Technology，2008，17（4）：1-6.

［5］BAI Y H，CHEN J R，LI X Y et a1.Non-thermal plasmas chemistry as a tool for environmental pollutants abatement［J］.Reviews of Environmental Contamination and Toxicology，2009，201：117-136.

［6］黃立維，譚天恩.脈沖電暈法治理甲苯廢氣實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國環(huán)境科學(xué)，1997，17（5）：449-453.

［7］李戰(zhàn)國，胡真，閆學(xué)鋒.低溫等離子體治理H2S污染的實(shí)驗(yàn)研究［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2006，7（10）：107-108.

［8］舒高亭，周化之，鄭文柱.紫外分光光度法測定空氣中二硫化碳的研究［J］.中國衛(wèi)生檢驗(yàn)雜志，1999，9（6）：430-431.

［9］孫保民，尹水娥，孫紅華，等.不同背景氣體下非平衡等離子體去除 NO實(shí)驗(yàn)［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30（1）：66-71.

［10］王曉，吳洪波，陳建民.常壓和真空下CS2的光氧化反應(yīng)［J］.環(huán)境科學(xué)，2005，26（2）：45-49.

［11］張仁熙，潘循皙，董文博，等.CS自由基與O2的反應(yīng)研究［J］.環(huán)境化學(xué)，2002，21（4）：336-343.

［12］邵春雷，夏蘭艷，顧丁紅，等.微波無極燈光解模擬CS2廢氣［J］.環(huán)境科學(xué).2007，28（7）：1628-1631.

［13］黃立維，陳金媛，松田仁樹.線－筒式脈沖電暈反應(yīng)器降解三氯乙烯廢氣研究［J］.高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2007，21（4）：689-694.

Removal of carbon disulfide by a wire-in-tube pulse corona reactor

HUANG Li-wei，HE Lian-hou，JIN Sheng
（College of Biological and Environmental Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310032，China）

The removal of CS2in a wire-in-tube pulsed corona reactor was experimentally investigated.The influences of operation parameters such as pulse voltage，gas composition and water vapor content on the removal of CS2were investigated.Results showed that the removal of CS2in Ar gas was more desirable than that in N2gas.The main product was confirmed to be elemental sulfur.The removal of CS2increased from 44.9%to 63.4%with the addition of 20%O2in Ar gas，and from 44.9%to 56.4%with the addition of 50%water vapor in the gas stream.It was found that the main gaseous products of CS2decomposition with the addition of O2in Ar gas were CO，CO2，COS and SO2.

pulsed corona；carbon disulfide；decomposition

X701

A

1006-4303（2013）02-0161-04

2012-02-20

黃立維（1964—），男，浙江慈溪人，教授，博士，研究方向?yàn)榇髿馕廴究刂?，E-mail：hlw＠zjut.edu.cn.

（

陳石平）