挥发性有机污染物低温等离子体协同处理技术

等离子体作为物质存在的一种基本形态，自18世纪中期被发现以来，对它的认识和利用在不断深化。等离子体是物质除气、液、固三态之外的第四态。等离子体中存在的大量高能电子、激发态的原子或分子等活性基团，可与各类型分子发生化学反应。从20世纪60年代开始，等离子体化学能的研究和利用逐渐受到人们的重视，随着对等离子体中各种粒子化学活性和化学行为认识的不断深入，形成了一门新兴的交叉学科——等离子体化学。近几十年来等离子体技术得到了突飞猛进的发展，其研究重心也从热等离子体及等离子体物理应用扩展到低温等离子体及其化学方面的应用。 
低温等离子体工业废气处理技术在处理挥发性有机物方面有着独特的优势，但也存在副产物生成、效率不高等问题。近年来，围绕低温等离子体与相关大气污染控制技术联用的研究和应用也越来越多，比如，低温等离子体与吸收、吸附、催化等协同技术用于挥发性有机物处理是近年来的研究和工程应用的热点。因此，针对这些问题和解决途径，本书较为系统地进行了回顾和梳理，系统介绍了低温等离子体的产生过程、机理，给出了脉冲电晕放电、直流电晕放电、交流电晕放电、介质阻挡放电等多种放电的基本原理、理论以及该技术结合吸收、吸附、催化等技术在处理挥发性有机物方面的研究进展。 
本书第1章介绍了挥发性有机污染物的概况，包括其来源、危害及常用的治理技术；第2章详细介绍了等离子体的概念、分类及基本的放电形式；第3章针对低温等离子体化学反应过程进行介绍，将对理解污染物在等离子体系统的降解机理有所帮助；第4章针对直流电晕放电的特性进行介绍；第5章结合编著者多年的研究成果，针对低温等离子体去除挥发性有机物性能方面进行介绍；第6章到第9章分别围绕低温等离子体协同催化技术、低温等离子体协同吸附技术、低温等离子体协同吸收技术以及低温等离子体协同生物技术进行系统全面的介绍，使读者能对本领域内的研究和应用进展有较为全面的了解。 
本书编著者长期从事大气污染防治方面的工作，在低温等离子体协同相关技术的理论研究和实践中获得了较为丰富的资料、理论和实践经验。参加本书编写的人员有：北京工业大学梁文俊和刘佳，华北电力大学（保定）李晶欣，中国矿业大学（北京）竹涛。对在本书编写过程中付出辛勤劳动的石秀娟、郭书清、武红梅、鞠浩琳、方宏萍、鲁少杰、李萍等同学表示感谢。 
感谢国家自然科学基金、北京市自然科学基金和北京市青年拔尖人才等项目给予的专项科研资助。本书在编写过程中得到了化学工业出版社责任编辑的支持和帮助，在此表示衷心的感谢！此外，在编写中编著者参考并引用了大量文献资料，在此向所有被引用的参考文献的作者们致以诚挚的谢意！由于编著的疏漏，书中所列出的参考文献未必全面，在此，特向书中未能列出引用的作者们致以深深的歉意。 
限于编著者时间和水平，书中难免出现疏漏和不妥之处，敬请广大读者批评指正。 

编著者 
2022年6月于北京

《挥发性有机污染物低温等离子体协同处理技术》是一部针对低温等离子体耦合其他工艺技术用于挥发性有机污染物治理的著作。本书以低温等离子体协同处理技术处理挥发性有机污染物为主线，主要介绍了低温等离子体的产生过程、机理以及低温等离子体结合吸收、吸附、催化、生物等技术在去除挥发性有机物方面的效果，旨在为从事该领域技术研究和工程应用的人员提供一定的借鉴。本书较全面地涵盖了当前挥发性有机物控制的主要技术，可作为高等院校环境科学与工程、等离子体、化工、能源、材料等工程专业研究生和高年级学生的教材，也可供挥发性有机污染物处理及污染控制等的工程技术人员、科研人员和管理人员参阅。

梁文俊，北京工业大学，副教授，一直从事大气污染理论和技术的研究，目前正在承担国家863计划课题、国家自然科学基金课题、北京市科研课题的研究工作。科研成果包括学术论文50余篇，其中SCI、EI 20篇，授权专利10项，主编及参加著作6部。

第1章概述001 
1.1挥发性有机污染物来源及危害  001 
1.1.1VOCs的来源  002 
1.1.2VOCs的危害  003 
1.2挥发性有机污染物治理技术  004 
1.2.1吸收法  005 
1.2.2吸附法  005 
1.2.3燃烧法  006 
1.2.4冷凝法  007 
1.2.5生物法  008 
1.2.6膜分离法  008 
1.2.7光催化氧化法  009 
1.2.8低温等离子体法  009 
1.2.9挥发性有机物污染治理发展趋势  011 

第2章等离子技术原理013 
2.1等离子体定义  013 
2.2等离子体的分类及发生装置  014 
2.3等离子体的基本参量及等离子体判据  017 
2.3.1粒子密度和电离度  017 
2.3.2电子温度和粒子温度  017 
2.3.3德拜长度  018 
2.3.4等离子体鞘层  018 
2.3.5等离子体频率  020 
2.3.6沙哈方程  020 
2.3.7等离子体的时空特征限量  021 
2.3.8等离子体判据  021 
2.4辉光放电  021 
2.4.1阴极区  022 
2.4.2负辉区  023 
2.4.3法拉第暗区  023 
2.4.4正柱区  023 
2.4.5阳极区  024 
2.5电弧放电  024 
2.5.1电弧放电的基本性质和特征  024 
2.5.2电弧的分类  025 
2.5.3电弧的启动  025 
2.6火花放电  026 
2.6.1火花放电的特征  026 
2.6.2火花放电的形式  027 
2.6.3流注  027 
2.7电晕放电  028 
2.7.1电晕放电的定义  028 
2.7.2电晕放电的特征  028 
2.7.3电晕放电的分类  029 
2.8介质阻挡放电  029 
2.8.1介质阻挡放电基本原理及应用  029 
2.8.2介质阻挡放电特征  035 

第3章低温等离子体化学反应过程及技术原理043 
3.1概述  043 
3.2等离子体产生原理  044 
3.2.1汤森放电  045 
3.2.2帕邢定律  046 
3.2.3气体原子的激发转移和消电离  046 
3.3低温等离子体化学反应过程  047 
3.3.1碰撞参数  047 
3.3.2等离子体中的基本粒子  048 
3.3.3等离子体中的化学反应  050 
3.3.4化学反应链  056 
3.3.5电离过程分析——电子雪崩现象  057 
3.4电源和反应器系统及优化  058 
3.4.1电源和反应器  058 
3.4.2脉冲电参数测量  058 
3.4.3高压窄脉冲电源及优化  061 
3.4.4电源和反应器系统优化  061 

第4章直流电晕放电伏安特性065 
4.1多针对板电晕放电伏安特性  066 
4.1.1电晕放电伏安特性分析  066 
4.1.2伏安关系式推导  067 
4.1.3c值确定  069 
4.2多电极管线电晕放电伏安特性  070 
4.2.1实验装置的建立  071 
4.2.2实验结果与讨论  073 
4.3管线极电晕放电伏安特性  079 
4.3.1实验装置  079 
4.3.2实验结果  079 

第5章流向变换等离子体用于挥发性有机物去除083 
5.1流向变换-等离子体技术去除VOCs研究  083 
5.1.1流向变换-等离子体反应系统热量分布研究  083 
5.1.2流向变换-等离子体反应系统降解甲苯性能研究  088 
5.1.3流向变换-等离子体-催化反应系统降解甲苯性能研究  098 
5.2VOCs降解产物研究及降解途径分析  103 
5.2.1气相副产物分析  103 
5.2.2气溶胶态副产物分析  106 
5.2.3副产物臭氧分析  108 
5.2.4等离子体系统光谱分析研究  112 
5.2.5低温等离子体系统VOCs降解途径探讨  119 

第6章低温等离子体协同催化技术去除VOCs123 
6.1低温等离子体协同催化技术  123 
6.1.1低温等离子体和催化协同作用处理有机废气的原理  123 
6.1.2低温等离子体与催化剂结合方式  124 
6.1.3催化剂  124 
6.1.4等离子体与催化剂相互影响  125 
6.1.5等离子体催化系统  125 
6.2低温等离子体协同催化技术去除VOCs研究现状  126 
6.2.1低温等离子体协同无机化合物催化净化技术  127 
6.2.2低温等离子体协同光催化净化技术  127 
6.2.3低温等离子体联合吸附净化技术  128 
6.2.4低温等离子体协同催化降解VOCs影响因素  128 
6.3产物分析  130 

第7章低温等离子体协同吸附技术净化VOCs135 
7.1概述  135 
7.1.1VOCs的吸附净化过程  135 
7.1.2等离子体与吸附协同净化VOCs的机制  138 
7.2常与低温等离子体技术协同应用的吸附剂类型  139 
7.2.1活性炭及改性活性炭吸附材料  139 
7.2.2分子筛吸附材料  142 
7.2.3碳纳米管吸附材料  144 
7.2.4多孔黏土异质结构材料  145 
7.3低温等离子体协同吸附净化VOCs技术  147 
7.3.1低温等离子体协同活性炭吸附  147 
7.3.2等离子体协同分子筛吸附  152 
7.3.3等离子体协同γ-Al2O3吸附  153 
7.3.4等离子体协同碳纳米管吸附  154 
7.3.5等离子体协同多孔黏土异质结构材料吸附  156 
7.4等离子体-吸附协同净化系统  157 
7.4.1常见等离子体-吸附协同净化VOCs的系统  157 
7.4.2等离子体-吸附协同净化VOCs系统的工艺分析  158 
7.4.3低温等离子体-吸附协同工艺净化VOCs的影响因素  159 
7.5低温等离子体-吸附协同技术的优化  160 
7.5.1等离子体旁路净化型VOCs吸附脱除系统  160 
7.5.2改良等离子体旁路净化VOCs吸附脱除系统  162 
7.5.3内置型吸附-催化-等离子体VOCs净化系统  164 
7.6等离子体协同吸附技术净化VOCs应用实例  165 
7.6.1印刷厂VOCs净化应用实例  165 
7.6.2沥青搅拌站VOCs净化应用实例  167 

第8章低温等离子体协同吸收技术去除VOCs170 
8.1低温等离子体协同吸收技术概述  170 
8.1.1VOCs的吸收净化机制  170 
8.1.2低温等离子体-吸收协同去除VOCs的机制  173 
8.2低温等离子体-吸收协同净化系统  173 
8.2.1低温等离子体-吸收一体式协同净化系统  174 
8.2.2低温等离子体-吸收协同串联式净化系统  176 
8.3低温等离子体-吸收协同净化VOCs技术  179 
8.3.1一体化协同技术对VOCs的去除效果  179 
8.3.2一体化协同技术净化VOCs的能耗研究  183 
8.3.3一体化协同技术净化VOCs的尾气分析  185 

第9章低温等离子及生物技术协同去除VOCs188 
9.1低温等离子体协同生物技术  188 
9.2生物技术去除VOCs研究现状  189 
9.2.1生物技术的基本原理  189 
9.2.2生物技术的主要工艺  190 
9.2.3生物法处理VOCs的研究现状  192 
9.3低温等离子体协同生物技术去除VOCs研究现状  202 
9.3.1低温等离子体协同生物滴滤技术的研究背景  202 
9.3.2低温等离子体协同生物滴滤技术的研究现状  203 

参考文献212

《挥发性有机污染物低温等离子体协同处理技术》是一部针对低温等离子体耦合其他工艺技术用于挥发性有机污染物治理的著作。本书以低温等离子体协同处理技术处理挥发性有机污染物为主线，主要介绍了低温等离子体的产生过程、机理以及低温等离子体结合吸收、吸附、催化、生物等技术在去除挥发性有机物方面的效果，旨在为从事该领域技术研究和工程应用的人员提供一定的借鉴。本书较全面地涵盖了当前挥发性有机物控制的主要技术，可作为高等院校环境科学与工程、等离子体、化工、能源、材料等工程专业研究生和高年级学生的教材，也可供挥发性有机污染物处理及污染控制等的工程技术人员、科研人员和管理人员参阅。

梁文俊，北京工业大学，副教授，一直从事大气污染理论和技术的研究，目前正在承担国家863计划课题、国家自然科学基金课题、北京市科研课题的研究工作。科研成果包括学术论文50余篇，其中SCI、EI 20篇，授权专利10项，主编及参加著作6部。