CuO/TiO2/MgO/5Fe5Ce催化剂在常压下SF6气体降解中的应用

cuo/tio2/mgo/5fe5ce催化剂在常压下sf6气体降解中的应用
技术领域
1.本发明涉及废气降解技术领域，尤其涉及cuo/tio2/mgo/5fe5ce催化剂在常压下sf6气体降解中的应用。


背景技术：

2.由于sf6强烈吸收红外辐射，从而加剧全球变暖，且其温室效应指数(gwp)是co2的23500倍。1997年《京都议定书》和2016年气候变化《巴黎协定》中均提到需逐步限制该类型温室气体使用。
3.基于上述背景，寻找有效降解sf6的新型方法更为迫切。


技术实现要素：

4.低温等离子体系中电子在增强电场的作用下受到激励，这些高能电子与气体分子(o2，h2o)发生碰撞，将气体分子激发到高能级。高能级分子由于量能增加导致键断裂，生产强氧化自由基
·
o，
·
oh，oh2。同时，sf6分子在高能电子的碰撞激发下，形成小碎片基团和原子。这些碎片基团和有机物分子在强氧化基团以及其他活性离子的作用下被去除，最终转化成so2，h2o以及其他降解产物。
5.尽管等离子体能够产生高能电子和众多活性物种，从而快速引发各种等离子体化学反应，使常规下难以发生的反应得以实现，但是纯等离子体存在目标产物选择性低和能耗大等问题，其中最主要的是一些中间副产物的产生。比如在三氯乙烯的降解试验中发现，其对还原产物co2的选择性不到25％，而对co的选择性高于70％。同样，在降解sf6的反应中，其对降解产物so2的选择性明显更高一些。
6.因此通过引入催化剂提高等离子体反应目标产物的选择性和提高等离子体化学反应的能量效率。催化剂在上述反应的主要作用为：加速目标反应的反应速度，提高反应的选择性，同时避免副反应的发生。
7.等离子体和催化剂协同作用的机理是:活性粒子直接作用于催化剂的活性中心，降低反应的活化能从而激活催化剂参与反应，降低催化剂所需温度；放电使反应物分子获得能量,有利于其在催化剂活性中心上发生化学吸附，且高压电场作用下的反应物分子有可能首先被激发或电离,而较容易被催化反应。
8.在等离子体作用下，催化剂表面将形成超细颗粒(平均颗粒直径为5～500nm,比表面积为10m2/g)，这将大大增加催化剂的比表面积并且破坏催化剂的晶体结构，产生更多的空穴从而导致高的催化活性。与普通的催化剂相比，等离子体作用后的催化剂具有如下独特之处：具有高度分布的活性物种；能耗减少；加强了催化剂的活性和选择性，延长了催化剂的寿命。
9.开始选择了常见的金属氧化物催化剂cuo/zno/mgo，但相对催化效果不理想，遂查找新的合适的催化剂，利用光催化中常用的催化剂tio2代替zno，后又加入了新型催化剂5fe5ce，极大的提高了反应速率。
具体实施方式
10.下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
11.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
12.下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
13.本发明中将sf6气体和o2、c2h4、h2o(g)和ar按体积比为15％：20％:(5％～7.5％):(1％～2％)：(35％～45％)混合后通入填充有cuo/tio2/mgo/5fe5ce催化剂的cpc反应器中进行等离子体催化降解，降解后产物通过湿式洗涤或干式吸附进行捕获。
14.高效的等离子体废气处理技术应该同时具有较高的降解率和能量效率，因此本发明中采用降解率和能量效率这两个指标来评价对sf6的去除效果。
15.本发明中通过测量降解前后sf6的浓度，可以确定sf6的降解率：
[0016][0017]
其中，其中[c]
initial
是初始sf6浓度，[c]
final
是最终sf6浓度。
[0018]
能量效率则是用来评价消耗单位能量所降解的sf6的量，其单位为g/kwh；本发明中当反应器降解静止的sf6气体时，能量效率的计算式为：
[0019][0020]
其中，为所降解的sf6的质量，t为降解时间。当反应器降解流动的sf6气体时，反应器的放电能量密度由下式可计算：
[0021][0022]
其中，qg为反应气体流量。此时能量效率由下式可得到：
[0023][0024]
其中，m为sf6分子的摩尔质量，v0为实验条件下时气体的摩尔体积。
[0025]
具体的，本发明中先将待处理的sf6气体和o2、c2h4、h2o(g)和ar按300ppm sf6、12％氧气(o2)、150ppm c2h4、2％ h2o(g)和40％氩气(ar)的比例混合后以氮气(n2)为载气通入cpc反应器中进行等离子体催化降解，测量降解反应的降解效率和能量产率如表所示：
[0026]
催化剂类别催化剂比例能量产率(g/kwh)降解效率无催化剂/1.794％cuo/zno/mgo17:7:11.992％cuo/tio2/mgo17:7:12.289％cuo/tio2/mgo/5fe5ce32:12:1:52.691％
[0027]
具体的，本发明中将待处理的sf6气体和o2、c2h4、h2o(g)和ar按300ppm sf6、20％氧气(o2)、150ppm c2h4、2％ h2o(g)和45％氩气(ar)的比例混合后以氮气(n2)为载气通入cpc反应器中进行等离子体催化降解，测量降解反应的降解效率和能量产率如表所示：
[0028]
催化剂类别催化剂比例能量产率(g/kwh)降解效率无催化剂/2.763％cuo/zno/mgo17:7:12.958％cuo/tio2/mgo17:7:13.067％cuo/tio2/mgo/5fe5ce32:12:1:53.575％
[0029]
由上表可知，本申请中cuo/tio2/mgo/5fe5ce的使用能在增大能量产率的基础上尽量保持降解效率，达到性能的整体提升。
[0030]
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。


技术特征：
1.cuo/tio2/mgo/5fe5ce催化剂在常压下sf6气体降解中的应用。

技术总结
本发明涉及CuO/TiO2/MgO/5Fe5Ce催化剂在常压下SF6气体降解中的应用。本发明中将SF6气体和O2、C2H4、H2O(g)和Ar按体积比为15％：20％:(5％～7.5％):(1％～2％)：(35％～45％)混合后通入填充有CuO/TiO2/MgO/5Fe5Ce催化剂的CPC反应器中进行等离子体催化降解，降解后产物通过湿式洗涤或干式吸附进行捕获。测试表明，CuO/TiO2/MgO/5Fe5Ce的使用可极大的提高降解速率以及能量产率。降解速率以及能量产率。


技术研发人员：周慧颖 肖淞 李祎 陈钇江 闫永旭 杨皓霖 卢昱宏 张渊 吴莲欢 孙佳琦 韩冲
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/7/12