近年来,凭借着系统结构简单、可治理成分多样以及去除效率高等优点,低温等离子体净化VOCs成为有机废气治理领域的一项新兴技术,备受国内外专家学者的关注。作为物质的“第四态”,等离子体中富含大量的电子、离子、自由基和中性粒子,会与VOCs分子发生激发、离解、电离、氧化等一系列化学反应,反应过程比较复杂、产物不受控制,除了产生理想的C02和H20之外,还可能形成毒性更强、危害更大的痕量有机副产物。目前常规的VOCs检测方法,如气相色谱(GC)、气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)或傅里叶转换红外光谱(FTIR)等,均难实现低温等离子体VOCs治理尾气中痕量有机副产物的实时在线、高灵敏定量分析。质子转移反应质谱(Proton Transfer Reaction Mass Spectrometry,PTR-MS)是上世纪九十年代末兴起的一种痕量挥发性有机物监测方法,具有响应时间短(秒量级的)、检测限低(<1pptv)、无需定标直接定量的优势,已广泛应用于环境等领域中痕量VOCs的检测。本论文报告了自行研制的国内第一台PTR-TOF-MS装置的结构与性能,并且率先采用PTR-MS技术完成了低温等离子体VOCs降解尾气中痕量有机副产物的系统检测研究。主要内容包括:1、PTR-TOF-MS研制及性能研究。首先,水蒸气经过空心阴极放电区产生试剂离子;其次,试剂离子在漂移管内通过离子分子反应使VOCs分子离子化;然后,剩余的试剂离子和离子化VOCs经过飞行时间质量分析器分离,并最终到达探测器实现离子流强度探测。质谱探测结果表明试剂离子流中除H30+离子之外,还有少许NO+、02+和H3O+(H20)n离子。优化水蒸气、合成空气的进气量以及放电参数、漂移管电场强度,试剂离子流中H30+的纯度可提高至99%以上。此时,VOCs进入漂移管后发生的离子分子反应为单一的质子转移反应,其他离子分子反应得到了很好的抑制。通过对已知浓度的甲醛、甲醇、乙腈、甲酸、丙酮、苯、甲苯以及二甲苯等标准气体测量表明,自行研制的PTR-TOF-MS在1ppbv-1ppmv范围内具有很好的线性和定量准确性,仪器的灵敏度优于1cps/ppbv。2、PTR-TOF-MS用于低温等离子体VOCs治理技术的评估研究。利用介质阻挡放电的方式产生低温等离子体,通过诊断放电的电压-电流波形图和电压-电荷李萨如图形确定低温等离子体发生器的放电性能和功耗。以甲苯为降解对象,以PTR-TOF-MS仪器作为检测手段,考察等离子体开启前后一段时间内甲苯含量的实时动态变化,并通过调节甲苯的初始浓度、反应气体流量、背景气体成分以及介质阻挡放电功率等参量,系统地探索影响甲苯去除率、C02选择性、放电副产物产量的关键因素。3、低温等离子体甲苯治理尾气中痕量有机副产物PTR-TOF-MS检测研究。基于PTR-MS多年来在VOCs检测研究中取得的谱解析进展,依据探测到的质荷比信息,并结合前人关于有机副产物GC-MS或FTIR检测结果,全面地完成了每种有机副产物的定性分析,探讨了甲苯的降解机理。此外,采用低温等离子体技术净化VOCs,不可避免的尾气中会有高浓度的放电产物氮氧化物和臭氧产生。由于氮氧化物、臭氧与空气(氮气、氧气等)不同,它们会与H30+发生反应,扰乱PTR-TOF-MS建立好的离子分子反应模型,进而影响对治理尾气中痕量有机副产物的定量分析。因此,在高氮氧化物、臭氧背景下,我们对原有的定量公式进行了修正测试,结果表明VOCs的定量误差由原先的35%减小至5%,处于可接受的范围之内。最后,采用修正后的定量公式对治理尾气中痕量有机副产物进行了定量分析,并通过查询每种有机副产物排放的相关健康信息,完成了低温等离子体VOCs治理技术的风险评估研究。综上所述,本文为抑制VOCs等离子体降解中有机副产物的形成提供了理论基础和研究方法,为该技术的大规模工业化应用提供了技术储备。