一、引言

（一）研究背景与意义

      挥发性有机物（VOCs）是常温下饱和蒸汽压大于 70Pa、常压下沸点在 260℃以下的有机化合物，涵盖非甲烷碳氢化合物、卤代烃、含氧有机化合物等多种类型。其主要来源于有机化工、石油炼制、印刷、喷涂等工业生产过程，不仅是形成雾霾和光化学烟雾的关键前驱体，其刺激性气味和生物毒性还会严重危害人体健康。

       当前 VOCs 处理技术分为回收技术与销毁技术两类：膜分离、吸附法等回收技术适用于高浓度且有回收价值的 VOCs，而蓄热燃烧法、催化氧化法、低温等离子体法等销毁技术则针对无回收价值的低浓度 VOCs。其中，低温等离子体协同催化技术因能在常温常压下实现 VOCs 高效矿化，且可避免单一技术的缺陷，成为研究热点。但该技术的工业化应用面临着反应体系复杂、协同机制不明确、设备适配性不足等问题，亟需专用评价系统开展系统性研究。

（二）国内外研究现状

       在等离子体放电技术方面，学者们已证实放电形式、反应器结构参数对反应效果具有显著影响。沿面放电与填充床放电的复合形式可大幅提升活性物质生成量，双极性脉冲电源相比交流电源能使苯的降解效率提高 8.7%、能量效率提升 1.4g/kwh。反应器的放电间隙、放电区长度等参数直接影响电场强度与停留时间，当放电间隙从 1mm 增至 3mm 时，相关反应转化率可提升 3 个百分点，且能耗显著降低。

      在催化协同领域，过渡金属氧化物催化剂在等离子体环境中表现出优异的活性强化作用，且催化剂放置于填充床后可有效抑制副产物生成。但现有研究多集中于单一参数优化，缺乏对等离子体 - 催化剂协同机制的系统解析，尤其针对贫氧等复杂工况的适配技术仍有待突破。现有评价设备多存在功能单一、参数调控范围窄、检测精度不足等问题，限制了技术研发进程。

（三）研究目标与内容

      本研究目标为开发一套适用于复杂工况的挥发性有机污染物降解用等离子体协同催化评价系统，实现放电参数、催化条件与反应工况的精准调控，建立多维度性能评价体系。主要研究内容包括：系统的模块化结构设计与关键部件优化；基于贫氧 / 富氧工况的参数调控系统开发；针对典型 VOCs 的降解性能测试与协同机制分析；系统稳定性与能量效率的量化评价。

二、评价系统总体设计

（一）设计原则

     工况适配性原则：兼顾氧气含量 0-20% 的宽范围工况，可满足循环复用与直接排放两类处理需求，适配不同浓度 VOCs 的降解评价。

     参数可调性原则：实现放电功率、频率、放电间隙等等离子体参数，以及催化剂类型、装填方式等催化参数的宽范围精准调控。

     检测全面性原则：涵盖反应物浓度、产物组分、活性物种与能量消耗的实时监测，确保反应过程可追溯与性能可量化。

     运行稳定性原则：采用模块化设计与安全联锁机制，保证长时间运行过程中的参数稳定性与操作安全性。

（二）系统总体架构

      系统由气源供给模块、等离子体 - 催化反应模块、参数调控模块、检测分析模块与数据处理模块五部分组成，各模块通过管线与控制系统实现有机联动，总体架构如图 1 所示（示意图）：

      气源供给模块提供 VOCs、载气、氧气等多组分气体的精确配比；

      反应模块实现等离子体放电与催化反应的协同进行；

      参数调控模块对放电参数与反应条件进行实时调节；

       检测分析模块完成反应全程的组分与能量监测；

      数据处理模块实现数据采集、分析与可视化展示。

三、系统核心部件设计与优化

（一）气源供给与预处理模块

      该模块采用多通道质量流量控制器（MFC）实现气体精准配比，涵盖 VOCs 发生单元、载气调节单元与氧含量控制单元。其中 VOCs 发生单元通过动态配气法，将液态 VOCs 经精密注射泵注入汽化室，与载气混合后形成浓度可调（10-1000ppm）的模拟废气。

      针对贫氧工况需求，系统设置惰性气体循环回路与氧气补充支路，通过电磁阀组切换实现氧含量 0.1%-21% 的连续调控。气体预处理单元采用高效过滤器去除颗粒物杂质，经缓冲罐稳定压力（0.1-0.5MPa），确保进气流量波动小于 ±1%。

（二）等离子体 - 催化协同反应模块

     反应器结构设计：采用沿面 - 填充床复合放电结构，外电极选用不锈钢套管，内电极为直径 1mm 的钨丝，螺距设置为 7.5mm 以优化电场分布。绝缘介质管内径 13mm、厚度 1.5mm，填充床厚度优化为 9.5mm，放电间隙可通过调节内电极位置实现 1-6mm 连续可调。

     催化单元集成：在填充床后设置可拆卸催化反应腔，容积 50-200mL，支持颗粒状、蜂窝状催化剂装填，催化剂床层温度可通过程序升温装置控制（室温 - 400℃）。通过阀门切换可实现 “等离子体单独作用”“催化单独作用”“等离子体 - 催化协同作用” 三种模式的对比测试。

     电源系统配置：配备双极性脉冲电源，输出电压 0-30kV 可调，频率 1-50kHz 连续调控，最大功率 500W，具备电压、电流实时监测与过流保护功能，相比传统交流电源可提升活性物质生成量 20% 以上。

（三）检测分析模块

      组分浓度检测：采用在线气相色谱仪（GC-FID）实时监测 VOCs 降解效率，检测下限 0.1ppm，相对误差小于 2%；配备 CO/CO₂分析仪监测矿化率，通过总烃分析仪实时追踪反应进程中的碳平衡。

     活性物种诊断：采用发射光谱仪（OES）检测等离子体区域的・OH、O₃等活性物种特征峰，波长范围 200-800nm，分辨率 0.5nm；设置两台臭氧分析仪分别监测反应前后的 O₃浓度，评估催化剂对副产物的消除效果。

     能量效率量化：通过功率分析仪精确测量输入功率，结合气体流量计算能量密度（J/L），基于降解量与能耗计算能量效率（g/kWh），为系统优化提供核心指标。

（四）参数调控与数据处理模块

    基于 PLC 控制系统开发人机交互界面，实现进气浓度、流量、放电参数、反应温度等 12 项参数的集中调控，响应时间小于 0.1s。数据处理系统采用 LabVIEW 软件，具备实时数据采集（采样频率 1Hz）、曲线绘制、数据存储与导出功能，可自动计算降解效率、矿化率、能量效率等关键指标，并生成测试报告。

四、系统应用测试与性能评价

（一）测试方案设计

     测试对象：选取典型 VOCs（苯、甲苯、乙酸乙酯）作为目标污染物，浓度范围 50-500ppm；选用过渡金属氧化物催化剂（MnOₓ/Al₂O₃、Co₃O₄/Al₂O₃）进行协同测试。

    工况设置：设置三种氧含量工况（≤1%、1%-10%、10%-20%），对应循环复用与直接排放两种处理需求；气体流量范围 50-500mL/min，反应温度 25-300℃。

      测试内容：系统稳定性测试（连续运行 72h）、单因素影响测试（放电功率、氧含量、催化剂类型）、协同效应验证测试（对比三种反应模式的性能差异）。

（二）系统稳定性与可靠性验证

      连续 72h 稳定性测试结果显示，在苯浓度 200ppm、氧含量 5%、放电功率 150W 的条件下，系统进气浓度波动小于 ±2%，放电功率偏差小于 ±3W，苯降解效率维持在 78%-81%，相对标准偏差（RSD）为 1.4%，表明系统运行稳定性良好。

     重复性试验（n=5）结果表明，不同批次测试的降解效率 RSD 均小于 3%，矿化率 RSD 小于 4%，各项检测指标的相对误差均在仪器精度范围内，证实系统具备良好的可靠性。

（三）典型 VOCs 降解性能测试

     放电参数影响规律：在苯浓度 200ppm、氧含量 10% 条件下，随着放电功率从 50W 增至 200W，苯降解效率从 42.3% 提升至 89.7%，但能量效率在 150W 时达到峰值（12.5g/kWh），继续增大功率导致能量浪费。放电频率 13kHz 时降解效果最优，过高或过低频率均会降低活性物种生成效率。

     氧含量适配性能：在苯浓度 150ppm、放电功率 150W 条件下，氧含量≤1% 的贫氧工况中，通过臭氧发生器辅助供氧，降解效率从 58.2% 提升至 79.5%；氧含量 10%-20% 范围内，降解效率维持在 85% 以上，且矿化率超过 70%，表现出宽工况适配能力。

     催化协同强化效果：MnOₓ/Al₂O₃催化剂的协同效果优于 Co₃O₄/Al₂O₃，在相同条件下可使苯降解效率提升 18.6%，矿化率提升 15.2%，同时使臭氧残留量降低 60% 以上，证实催化剂对活性物种利用与副产物抑制的双重作用。

（四）能量效率与经济性分析

      在最优参数条件下（放电功率 150W、频率 13kHz、MnOₓ/Al₂O₃催化），系统处理苯的能量效率达到 12.8g/kWh，相比单一沿面放电系统提升 45%，相比未加催化剂的等离子体系统提升 32%。针对工业低浓度 VOCs（100-200ppm）的处理成本估算显示，单位体积处理成本约为 0.05 元 /m³，低于传统蓄热燃烧法（0.12 元 /m³）与吸附 - 催化联用技术（0.08 元 /m³）。

五、讨论

（一）系统设计的创新性

     采用沿面 - 填充床复合放电结构与双极性脉冲电源的组合设计，突破了单一放电形式活性物质生成不足的瓶颈，相比传统系统活性物种浓度提升 30% 以上。

    构建了贫氧工况下的臭氧辅助与循环处理机制，解决了传统设备在低氧环境中降解效率低的难题，实现 0.1%-21% 氧含量范围的高效适配。

    集成多维度检测系统，实现从反应参数到产物组分的全链条监测，为等离子体 - 催化协同机制解析提供了实验平台支撑。

（二）存在的局限性

     系统目前主要针对小分子 VOCs（苯、甲苯等）开展测试，对于高沸点、多环类复杂 VOCs 的降解评价需进一步优化检测方法与反应条件。

     催化剂装填方式为固定床模式，缺乏流化床等动态催化体系的适配性，对催化剂失活过程的实时监测能力有待提升。

     系统处理量较小（最大 500mL/min），从实验室规模向中试系统的放大过程中，需重点解决反应器均一性与能量分布问题。

（三）未来优化方向

     拓展检测模块功能，增加气质联用（GC-MS）系统以实现复杂 VOCs 降解中间产物的精准定性，完善反应机理研究手段。

    开发可切换式催化反应单元，支持固定床、流化床等多种催化模式，增设催化剂活性在线表征装置，实现失活机制研究。

    开展反应器阵列化设计，通过多单元并联提升处理量，同时优化电极结构与气流分布，为工业化应用提供技术参数。

六、结论

    成功开发了挥发性有机污染物降解用等离子体协同催化评价系统，该系统由气源供给、反应、检测、调控与数据处理五大模块组成，可实现 VOCs 浓度、氧含量、放电参数等多维度条件的精准调控。

    系统在 0.1%-21% 氧含量范围内均表现出优异的适配性，对苯、甲苯等典型 VOCs 的降解效率最高可达 89.7%，能量效率达 12.8g/kWh，且连续运行 72h 的稳定性良好（RSD=1.4%）。

     等离子体与 MnOₓ/Al₂O₃催化剂的协同作用可使降解效率提升 18.6%，并显著抑制臭氧副产物生成，证实系统在协同机制研究中的有效性。

    系统为 VOCs 降解的等离子体协同催化技术研究提供了一体化评价平台，其优化参数与设计经验可为工业化设备开发提供重要参考。