目前，工業和農業上排放的有機廢氣(VOC)是重要的大氣污染源之一，會對人體造成慢性損壞甚至中毒危及生命。定義沸點溫度介于50～260℃的各種有機化合物的集合稱之為揮發性有機物(VOC)。在于石化、汽車噴涂、印刷等領域VOC給生產帶來了很大的環境問題。目前已鑒定出的有300多種，最常見的有苯、苯乙烯、丙二醇、甘烷、酚、甲苯、乙苯、甲醛等。隨著人們對壞境保護的關注提高，越來越多的學者參與VOCs污染的控制與處理研究。

我國每年因為VOCs排放造成的工業污染非常嚴重。效率與運行費用等因素制約了傳統治理技術應用的發展。近年來，低溫等離子體協同催化劑降解VOCs技術被認為是最具有發展前景的技術之一，頗受研究者的關注。

1傳統的處理VOCs方法

常見的VOCs處理技術可以分為回收類技術和銷毀類技術兩大類。回收類技術主要有吸附法、生物膜分離法以及冷凝法;銷毀技術主要包括加熱燃燒法、微生物處理技術和低溫等離子體技術。吸附法、燃燒法以及催化燃燒法是較為傳統的控制技術，其中吸附法和催化燃燒法有較為完善的理論基礎與實際經驗，已經得到廣泛應用。燃燒法對溫度有較高的要求;冷凝法對高沸點的有機物效果較好;吸收法對吸收劑的要求較高;生物處理法、膜分離法和光催化法是近些年來得到發展的新興技術，雖然理論研究已經頗有成果，但是實際中的應用還不夠成熟，在電廠企業中難以推廣;其中低溫等離子體技術作為新興技術，受到研究者的廣泛關注。其中吸附技術是利用具有大比表面積的孔狀蜂窩狀結構吸附劑對污染物進行吸附，利用固體表面的分子吸收力與化學鍵力將污染物吸附在固體表面上，實現氣相分離。燃燒法用部分污染物在一定溫度條件下易燃的特性，將廢氣直接在1100℃高溫和過量的空氣在湍流的條件下進行完全燃燒。燃燒后使揮發性有機物分解生成CO2、H2O等。生物處理技術是利用微生物的新陳代謝過程將有機物降解，將VOCs作為碳源維持其生命活動，轉化為簡單的無機物CO2、H2O等的處理方法。光催化技術是在外界可見光作用下發生催化作用，空氣為催化劑，以光為能量將VOCs降解為CO2、H2O等的處理方法。

2等離子體降解機理

低溫等離子技術是由高能電子引起的化學反應，依靠等離子體在瞬間產生的強大電場能量電離、裂解，使正負粒子無法集結在一起成為可以自由移動的離子，從而破壞污染物分子結構。因其工藝簡單、成本低，目前被認為是開創了一種全新的技術創新領域。等離子體是由大量的電子、離子、負離子、電子、中性原子的集合組成，正、負總電荷數相等，整體呈電中性的電離氣體。低溫等離子體是指電子溫度遠大于離子溫度，整個體系表觀溫度較低，故稱為低溫等離子體。

從物理學的角度，對于低溫等離子體去除污染物的機理一般認為是通過氣體放電產生的高能電子激發來完成的。氣體中的電子在高壓電場中被加速之后與周圍的分子、原子、電子等粒子發生非彈性碰撞和彈性碰撞，其中分子、原子被激發、離解和電離之后產生更多的自由電子，而新產生的電子又被高壓電場加速，再次發生碰撞、激發和電離使氣體分子或原子激發到更高的能級。其中高能電子起主導作用，其化學反應過程分為兩個方面:

(1)高能級電子直接作用污染物分子

e+污染物分子→碎片分子

(2)高能級電子間接作用氧化污染物分子

e+O2(N2，H2O)→

O+N+OH+O3+污染物分子中性分子

O(N，OH，O3)+污染物分子→碎片分子

高能電子撞擊背景氣體中的O2、N2和H2O生成O、N、OH和O3等活性粒子，通過這些強氧化性的自由基與污染物基團或分子發生一系列反應，最終將污染物徹底氧化。

低溫等離子體的產生方式是通過滑動弧放電、射頻放電、輝光放電、電暈放電和介質阻擋放電等氣體放電。其中，用于處理揮發性有機物的主要是電暈放電和介質阻擋。

電暈放電是當在電極兩端加上較高但是未達擊穿的電壓時，局部電場強度超過了氣體電離場強，使氣體發生了電離和激勵，電極附近的氣體介質會被局部擊穿出現電暈放電。當部分的活性電子與VOCs中具有與C—H、C—C或C=C鍵相近或相同的鍵能時，就會打破這些鍵，進而破壞VOCs的結構。這其中的自由基就可以與有機物分子或基團發生一系列的反應，最終將有機物徹底氧化，將有毒有害污染物轉化為CO2、H2O等無毒無害物質。

Sano等研究了直流電暈放電情況下溫度對苯的降解效果影響，當溫度在室溫～390℃內放電電流為1.5mA時，苯的降解率達到了90%～95%，溫度對苯的降解影響不大。Marotta等研究了VOCs的降解速率與電暈放電正負極情況的對比，認為負電暈比正電暈的放電能量效率好，尤其是在濕空氣的條件下。Nifuku等進行脈沖電暈放電對多種單環芳香烴進行降解的實驗，結果表明峰值電壓、脈沖上升的時間以及頻率和氣體的停留時間對VOCs的降解效率有很大影響。

介質阻擋放電(DBD)是將絕緣介質插入放電空間隔離兩電極的一種氣體放電。插入的電介質層將兩電極隔開，電介質板可以同時覆蓋在兩個電極的表面，也可以懸掛在兩個電極之間，還可以覆蓋在某單獨電極的表面。電介質在放電過程中阻斷了擊穿通道的形成，阻礙了火花或者電弧的形成，同時也起到了儲能作用。

Chang等研究了在介質阻擋放電中氣體停留時間對甲醛去除率的影響，當氣體停留時間為10s時，使用介質阻擋放電等離子體對初始濃度為147mg/m3和34mg/m3的甲醛的去除率均可超過90%。Lee等研究了用介質阻擋放電處理二甲苯廢氣，當電壓為18kV時二甲苯中碳礦對二氧化碳的轉化率為95%，能量轉換率達7.1g/(kW˙h)。Chen研究了NOx和SO2去除的影響因素，結果表明，DBD的形狀中圓筒式的反應器較之正方形和長方形的反應器去除效果較好，而介質層厚度的不同對NOx和SO2的去除沒有太大影響。

3等離子體協同催化降解

VOC等溫等離子體可以有效去除VOCs且其與傳統方法相比具有操作設備簡單、操作條件可在常溫常壓下進行等優點，但是其發展仍舊具有局限性。該處理技術依然存在容易形成副產物、能量效率較低和選擇性較差等問題，大大限制了該技術未來的發展。而催化劑高選擇性、高降解效率等特點使研究者將其與催化劑相結合，使其與催化劑協同處理VOCs，成功讓催化劑的優點作用在等離子體處理VOCs方面，使該技術具有CO2選擇性高、生成副產物極少、降解效率高、反應條件溫和等特點，見圖3，加入光催化劑后二甲苯的去除率遠遠高于未加光催化劑時。

催化劑的加入改變了加速分子的分布等離子體放電的類型，使加速電子分布發生改變從而使等離子體在放電階段產生新的活性物種。Harling等利用等離子催化反應器處理VOC大大提高了污染物的除去效率、降低能耗的同時還抑制了O3和NOx等副產物的生成。Mizuro等利用吸附技術與催化劑技術結合。使10mg/L的濃縮低濃度甲苯在200℃下脫附為1000mg/L，之后在催化反應器進行處理。其中，VOCs的處理效率接近100%，較催化燃燒能耗降低20%。

4結束語

低溫等離子技術是由高能電子引起的化學反應，速度快、效率高。因此，低溫等離子體技術用于污染控制，具有廣泛適應性、工藝簡單、成本低等特點。目前該技術大多處于實驗室研發階段，還需要進一步完善等離子體降解VOCs的機理，為商業化發展提供保障。等離子體協同催化劑降解處理VOC是該技術未來發展的一個重要方向。目前亟待解決的問題是選擇更高去除效率及更高能量效率的催化劑、加強對作用機理及其反應動力學方面的研究以及尋找開發更優配置等離子體反應器。

來源：應用化工