等离子体强化分解对二甲苯（p-xylene）作为焦油模型化合物的工艺优化及副产物抑制研究

为解决生物质气化过程中焦油（tar）副产物（如p-xylene）导致的设备堵塞和环境污染问题，研究人员采用非热等离子体（NTP）介质阻挡放电（DBD）反应器，探究不同载气（N2/H2/CO2）、功率（5-40 W）和温度（常温-400 °C）对p-xylene分解及产物分布的影响。结果表明，20 W下p-xylene分解率>98%，H2载气结合300 °C高温可显著提升低碳烃（LHC）产率至82%（甲烷占58%），有效减少固体残留。该研究为焦油高效转化及清洁能源（SDG 7目标）提供了低温解决方案。

　　

生物质气化是城市废弃物处理的重要技术，但其产生的焦油（tar）成分复杂，如对二甲苯（p-xylene）等芳香烃易冷凝堵塞设备，且传统热解需高温（>850 °C），能耗高。非热等离子体（NTP）技术能在低温下分解焦油，但存在副产物（如固体残留）问题。为此，国内某研究团队在《Fuel》发表论文，通过介质阻挡放电（DBD）反应器，系统研究p-xylene在不同载气（N₂/H₂/CO₂）、功率（5-40 W）和温度（常温-400 °C）下的转化规律，旨在优化工艺参数以减少副产物并提升能源回收效率。

研究采用圆柱同轴DBD反应器，在线连接气相色谱（GC）分析产物。通过调控等离子体功率和载气类型，结合温度协同效应实验，量化p-xylene分解率、低碳烃（LHC）产率及碳平衡。关键发现如下：

1. 等离子体输入功率与载气的影响
在5 W低功率下，N₂载气的p-xylene分解率最高（92.5%），CO₂最低（67%），归因于N₂亚稳态的活化作用。功率升至20 W时，所有载气中分解率均>98%，但H₂载气下LHC产率显著提升至18.5%（40 W），而N₂/CO₂中<2%。

2. 温度对副产物抑制的作用
H₂载气中，温度升至300 °C使LHC产率从18.5%跃升至82%（甲烷占58%），碳平衡改善表明固体残留减少。400 °C时甲烷占比进一步提高至75%，但总产率不变，提示高温促进C₂-C₅向CH₄转化。

3. 反应机制分析
p-xylene分解主要依赖高能电子直接撞击和H自由基攻击。H₂载气中富集的H自由基促进甲基断裂（CH₃）及芳环开环，而CO₂因高键能抑制反应活性。

该研究证实，H₂载气结合300 °C中温条件可实现p-xylene高效转化为甲烷为主的清洁燃料，较传统热解降低能耗80%以上，为生物质气化焦油处理提供了工业化应用方向。未来可通过调节实际气化气中H₂浓度，进一步优化产物分布，推动可持续能源（SDG 7）目标实现。