低温等离子体降解污染土壤热脱附尾气中典型有机污染物的研究

来源 :中国环境科学研究院 | 被引量 : 2次 | 上传用户:luckyhelen
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有机污染场地是我国城市工业企业搬迁后遗留的一类高风险污染场地,若不能开展完善的土壤污染修复,将对周边居民产生严重的健康威胁,也将影响城市土地资源的开发再利用。热脱附是一种快速高效地修复挥发、半挥发性有机物污染场地的修复技术,在国内外已有广泛应用。然而,热脱附是一种物理分离技术,污染物仅从土壤中蒸发进入尾气中,故需要对分离出来的含有机污染物的尾气进行处理后才能排放,尾气处理的成本甚至占污染土壤修复成本的一半。因此开发高效、低成本的热脱附尾气处理技术,对于降低热脱附技术的成本和推广热脱附技术的应用都极为重要。本论文以有机污染土壤中常见的污染物DDTs(滴滴涕)和PAHs(多环芳烃)为例,采用脉冲放电等离子体技术对污染土壤热脱附尾气中的有机污染物进行降解试验。分别考察了脉冲放电等离子体的工艺参数(脉冲电压、脉冲频率、停留时间)以及热脱附尾气的特征参数(温度、初始浓度、含水率)等条件对有机污染物降解的效果。同时,通过对不同载气条件下降解产物、活性物质的检测分析及分子轨道理论模拟计算等手段探讨DDTs和PAHs在脉冲放电等离子体处理时的降解机理。为低温等离子体处理污染土壤热脱附尾气的工程化应用提供参考。本论文主要的工作及研究结果如下:1.脉冲放电等离子体对污染土壤热脱附尾气中DDTs的降解特性研究。从脉冲放电等离子体的工艺参数及热脱附尾气特征参数两方面考察了脉冲放电等离子体对污染土壤热脱附尾气中DDTs的降解效果。研究发现:脉冲放电等离子体对土壤热脱附尾气中DDTs具有快速、高效的降解能力,DDTs降解率可达83.5%。DDTs的降解率随脉冲电压的升高、脉冲频率的增大和停留时间的延长而增加;随进气中DDTs初始浓度的升高而降低,但绝对降解量增大。热脱附尾气中的含水率越高,DDTs降解率越低,但在脉冲电压较高时,由于等离子体反应器中能量较高,仍然有较高比例的DDTs得到降解。2.脉冲放电等离子体对污染土壤热脱附尾气中DDTs的降解机理研究。研究发现DDTs在氩气中降解率最高,其次为氧气、空气、氮气。降解产物检测发现有少量的DM(二苯甲烷)、BH(二苯甲醇)、DBP(2,4’-二氯苯甲酮)、DBH(4,4’-二氯二苯甲醇)、DDMU[1,1-双(对氯苯)-2-氯乙烯]生成。随着脉冲电压的升高,CO和HCl浓度升高,CO2浓度降低,NO、NO2几乎不生成。在高温条件下(150℃)H2O2的含量很低。O3浓度、Cl-的浓度从高到低的顺序为O2>空气>Ar>N2。通过分子轨道模拟计算了 DDTs的分子构型和能量,探讨了在脉冲放电等离子体作用下DDTs的降解机理:热脱附尾气中DDTs主要通过高能电子的攻击和活性粒子的氧化而降解,即p,p’-DDT脱氯生成p,p’-DDD和p,p’-DDE,p,p’-DDD继续发生脱氯作用产生DDMU。DDMU受到O3直接氧化作用产生DBH。DBH脱Cl产生BH,受高能粒子作用脱去-OH生成DM。DM又与反应过程中产生的Cl2作用生成DPM。DPM进一步反应会生成CO、CO2、H2O。3.脉冲放电等离子体对污染土壤热脱附尾气中PAHs的降解特性及机理研究,分析了萘和DDT在脉冲放电等离子体作用下降解机理的差异。研究了等离子体反应器温度、载气种类对萘降解效果的影响,同时开展了脉冲放电等离子体对含苊、菲、芘、苯并(a)芘的热脱附尾气的降解试验。结果表明:等离子体反应器温度对萘的降解有显著的影响,在50℃时,萘的降解率为98.6%,在100℃时,萘的降解率可达99.5%,而在180℃条件下,萘的降解率只能达到81.6%。脉冲放电等离子体能够高效地去除气体中的多环芳烃。脉冲电压为30.0 kV时,四种PAHs(苊、芘、菲、苯并(a)芘)的降解率均大于80%。萘在不同载气下的降解规律与DDT的降解规律有明显差别。萘的降解率从高到低为O2>空气>Ar>N2。通过萘的分子结构与DDT的分子结构对比可知,萘的键长更短,分子键长趋于平均化,故整个分子变得稳定。分子间的结合力更强,因而使萘断键需要更高的键能。
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