低温等离子体协同MOFs及其衍生物催化降解甲苯实验研究

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目前,工业源VOCs的大量排放造成的大气污染问题形势严峻。等离子体协同催化技术不仅能够充分利用等离子体的高反应活性和催化剂的吸附、催化特性,而且二者之间可能会产生协同效应,因此会促进VOCs的氧化分解,提高能量利用率,有效控制副产物的浓度。MOFs作为一类新型多孔材料,具有比表面积大、孔结构有序以及丰富的活性位点,成为目前VOCs降解领域的研究热点。MOFs衍生多元金属氧化物由于不同活性组分之间的相互作用,有利于提高催化剂的性能,在VOCs的治理中也得到广泛研究。本文利用介质阻挡放电反应器产生的等离子体对甲苯进行降解,研究不同参数对降解性能的影响;将MOFs及其衍生金属氧化物引入到等离子体体系,研究催化剂类型(MnyCe1-MOF和MnOx-CeO2)和填充位置(内催化和后催化)对甲苯降解性能的影响,并进行对比分析。具体研究内容和相关结论如下:(1)探究单一等离子体中输入功率,气体流量、初始浓度和放电长度对甲苯降解性能的影响规律。实验数据显示,随着输入功率的增大,放电强度提升,降解效率和CO2选择性增大,能量效率先升高后降低。降低气体流量和初始浓度,有利于提高降解效率和CO2选择性,但是会降低能量效率。随着铜网长度的增大,降解效率、能量效率和CO2选择性呈先上升后下降的趋势。(2)采用水热法制备了 MnyCe1-MOF材料,研究了 MOFs协同等离子体后催化对甲苯降解性能的影响。实验数据显示,输入功率、气体流量和甲苯初始浓度对降解性能的影响与是否填充催化剂无关。MOFs的填充明显地提升了降解效率和能量效率,并深度氧化中间产物,提高CO2选择性、碳平衡,同时有效降低了副产物O3的浓度。各体系甲苯降解性能排序为:Mn6Ce1-MOF>Mn4Ce1-MOF>Mn2Ce1-MOF>Mn1Ce1-MOF>Mn-MOF>NTP。(3)以MOFs作为前驱体,通过高温热解制备了衍生双金属氧化物MnOx-CeO2,研究了等离子体协同MnOx-CeO2内催化、后催化降解甲苯的性能。实验结果表明,不管是内催化还是后催化,MnOx-CeO2的填充,均可提高降解性能。不同的是,内催化的降解效率、能量效率、CO2选择性和碳平衡的提高幅度高于后催化,但对O3利用率低于后催化。Mn6Ce1Ox实现了最佳的降解性能,在内催化时,最高降解效率和能量效率分别为90.4%和5.65 g/kWh,最高CO2选择性和碳平衡分别为83.4%和98.2%。而在后催化时,最高降解效率和能量效率分别为81.6%和5.08 g/kWh,CO2选择性和碳平衡分别为73.9%和 87%。(4)MnOx-CeO2对O3的分解能力和甲苯降解性能低于MOFs,但通过内催化,MnOx-CeO2降解性能得到大幅提高,并接近于MOFs的降解性能,说明内催化可以提高材料的催化性能。各体系甲苯降解性能排序依次为:PPC:Mn6Ce1-MOF≥IPC:Mn6Ce1Ox>PPC:Mn6Ce1Ox>>NTP。
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