《武汉工程大学学报》 2008年01期
51-54
出版日期：2008-01-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
常压微波等离子射流脱碳处理有机工业废气
0引言等离子体中含有大量高活性的电子、离子、自由基，广泛用于“三废”处理［1～4］.利用等离子体技术处理气态污染物一般要求在常压下进行，因此目前使用较多的方法是电晕等离子体和介质阻挡放电等离子体.在工业应用上，电晕等离子体多用于烟道气的脱硫或脱硝［5］，或对印染废水脱色［6］.但由于电晕放电的强度较低，产生的活性粒子的能量和浓度较低，导致废气处理的效率较低.而介质阻挡放电在工业应用时存在着系统稳态运行条件苛刻，后期维护困难等缺点.且上述两种技术在应用时强调的是将有害的工业废气转化为无害的气体，从废气中回收有价值的固态单质副产品的研究很少涉及.先前的工作利用微波等离子体在适宜的工艺下对气体脱碳处理制备金刚石相碳膜，包括在硅［7］、铜［8］、玻璃［9］等不同的基底材料上沉积生长，但是由于这些工作必须在高真空环境下完成，不适合对有机工业废气的脱碳处理应用.本研究采用的微波等离子体射流可以在大气压下稳态运行，具有放电强度高、工业废气离解度高、废气处理效果好的特点.本文利用自行设计的常压微波等离子体射流处理模拟的有机工业废气，对处理过程中回收的纳米碳粉进行了激光Raman光谱、XRD、SEM和EDAX分析.并分析了该技术在工业上的潜在应用前景.1实验模拟有机工业废气由丙酮与氩气按一定的比例混合而成，混合气体中丙酮和氩气的比例由浮子流量计控制调节，实验中丙酮和氩气的体积比为5∶3，混合气的流量为80 mL/min.实验在自行设计的常压微波等离子体射流装置上进行，微波功率500 W，微波频率2.45 GHz，采用BJ26波导传输.常压微波等离子体射流与样品架作用并在其上沉积出碳微粉，实验原理图见图1.等离子体射流的处理时间为5 min.图1常压微波等离子体射流装置原理图
Fig.1Schematic diagram of atmospheric pressure microwave plasma jet apparatus
1.微波源；2.微波匹配；3.波导反应腔；4.样品架；
5.等离子体射流；6.耦合天线采用Renishaw System RM1000型显微激光Raman光谱仪和YBXD5A型Xray衍射仪分析了样品的结构特征，利用JSM5510LV型扫描电子显微镜（SEM）及JEM100CXII型透射电镜（TEM）分析了样品的表面形貌.2结果与讨论2.1SEM和TEM分析直径为50 mm的样品架上得到的中心和边缘区的碳粉样品有明显的颜色差别，直径约15 mm的中心区，样品呈灰色，成连续膜状；而周围呈深黑色，成粉末堆积状.利用SEM对上述两个区域的样品的形貌进行了观察分析.图2（a）、（b）分别为样品架的中心和边缘处的碳粉的SEM照片.从图中可见，样品中心区的碳粉呈网状结构，网状结构的骨架较为缜密；而边缘区的碳粉呈蓬松的球状，且每一个球状结构由更细小的颗粒团聚而成.形成这种结构差别的主要原因在于沉积温度的不同：样品架上中心区的温度较高，边缘区的温度较低，而较高的温度有利于碳以结晶态的形式沉积.图2样品架的不同区域的碳粉的SEM照片
Fig.2SEM images of the carbon powder in different
area of sample substrate
（a）中心区；（b）边缘区图3为碳粉样品的TEM照片.结果表明，样品中含有大量的直径约为10 nm的碳球和层状结构的石墨片.图3样品的TEM照片
Fig.3TEM image of the sample第1期何艾华，等：常压微波等离子射流脱碳处理有机工业废气
武汉工程大学学报第30卷
2.2Raman光谱及XRD分析Raman光谱通常被用来分析碳元素的结构和组成成分，这主要是因为石墨和其它具有sp2结构的无序碳的Raman散射效应非常明显，并且金刚石及其相关物也具有较强的容易被区分的Raman峰.Raman光谱中，~1 140 cm-1和~1 470 cm-1处的两个特征峰分别与金刚石微晶和含有sp2碳的金刚石结构相联系.在1 580 cm-1附近还有一与石墨和无定形碳有关的强度较低的展宽峰［10］.图4为样品架上不同区域的样品的Raman光谱，其中图4（a）、（b）分别对应样品的中心区和边缘.图中，在1 047、1 148和1 560 cm-1处出现明显的Raman特征峰，在1 292和1 321 cm-1处出现弱的特征峰.对比样品架的Raman谱分析表明，1 047 cm-1和1 321 cm-1处的Raman特征峰来自样品架，受样品的致密程度不同的影响，在图4（a）、（b）中来自样品架的两特征峰的强度不一样.1 148 cm-1处出现的特征峰表明碳粉中含有sp3碳的微晶结构，而与石墨结构相关的特征峰出现在1 560 cm-1附近.中心区的碳微粉的Raman特征峰与样品架的边缘区的特征峰相比具有更高的强度和更小的半高宽，该结果表明，射流与样品架接触的中心区沉积的碳微粉比边缘区具有更高的结晶程度，这是由于等离子体射流与样品架的中心作用，导致中心温度显著高于边缘的缘故.图5为粉末样品的XRD图谱，图中出现的尖锐衍射峰分别来自杂质铜和铝质Xray衍射分析样品架.理论研究表明［11］，石墨微晶粉末的衍射峰的强度随石墨晶体粒径的减小而降低，且衍射峰向小角度方向移动并展宽.图中在25.5°附近出现的一强度较低的展宽带，来自于样品中的微小结构的石墨晶体，XRD测试结果与SEM和TEM分析结果一致.(a) 中心区(b) 边缘区
图4样品架上不同区域样品的Raman光谱图
Fig.4 Raman spectra of the sample in the different areas of the sample substrate图5纳米碳粉的XRD图
Fig.5XRD pattern of the nanometer carbon powder2.3EDAX分析表1为制备在钼基片上的碳粉样品的EDAX分析结果，排除来自样品架的钼元素以及与之相关的氧元素的影响，碳粉样品中还存在着一定量的铜杂质，主要是由于高温等离子体射流引起的铜喷嘴蒸发的缘故.而杂质原子O主要是以CuO和MoO3的形式存在，由此，通过减少喷嘴的金属原子的蒸发，可得到非常纯净的纳米碳粉.实验中，通过比较回收的固态碳粉的质量与所消耗的丙酮中的碳含量，计算了固态碳的一次回收率为8%，一次回收率较低的原因在于本实验中有机废气的电离率较低.通过增强放电强度、提高有机废气的电离率和进行多次循环处理，可有效提高固态碳的回收率，使该技术有商用价值.表1纳米碳粉的成分
Table 1Component of the nanometer carbon powder
元素质量分数/ %原子分数/ %C K26.6256.54O K17.3427.66CuK6.672.68MoK49.3713.13Total100.00100.003结语在自行设计的常压微波等离子体射流装置上对模拟的有机工业废气进行了分解处理，结果表明，常压等离子体射流可进行有机废气的脱碳处理，回收的固态纳米碳粉含有微晶石墨和微晶金刚石.该技术在有机废气处理中具有良好的应用前景和社会、经济价值.