非热等离子体协同静电除尘耦合系统对细颗粒物及烟气多污染物的高效净化机制研究

【编辑推荐】针对燃煤烟气中PM2.5、SO2和NOx协同治理难题，研究人员开发了基于介质阻挡放电（DBD）与静电除尘耦合的非热等离子体净化系统（NTP-DGP）。实验表明，该系统在200 J/L能量输入下，PM2.5去除率达99.4%，SO2和NO分别达98.4%和82.4%，揭示了活性氧物种（·OH、·O、O3）的氧化主导机制，为多污染物一体化控制提供了新策略。

　　

燃煤电厂排放的烟气中，细颗粒物（PM_2.5）、二氧化硫（SO₂）和氮氧化物（NO_x）是大气污染的主要元凶。这些污染物不仅会引发哮喘、慢阻肺等呼吸系统疾病，还会通过酸雨破坏生态环境。传统技术如静电除尘（ESP）对PM_2.5捕获效率低，湿法脱硫又面临废水处理难题，而选择性催化还原（SCR）脱硝则受限于高昂的催化剂成本。如何实现多污染物高效协同控制，成为环保领域的"卡脖子"难题。

山西某研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表论文，创新性地将介质阻挡放电（DBD）与静电除尘耦合，开发出非热等离子体净化系统（NTP-DGP）。该系统通过高压电场产生的高能电子和活性氧物种（如·OH、O₃），同时实现颗粒物荷电团聚和气态污染物氧化降解。研究发现，在特定能量输入（SEI）200 J/L条件下，PM_2.5去除率高达99.4%，SO₂和NO去除率分别达98.4%和82.4%。数值模拟进一步揭示，臭氧（O₃）虽反应速率不及·OH，但因产量优势成为氧化主导物种。

研究采用三大关键技术：1）自主设计的平板式DBD反应器，采用石英/氧化铝双介质层结构；2）结合静电风速仪和高速摄影的放电特性表征；3）基于COMSOL Multiphysics的等离子体-污染物相互作用模拟。

【结果】

1. 介质阻挡放电行为：当电极间隙6 mm、电压12 kV时，系统产生稳定丝状放电，电流脉冲频率达5 kHz，形成均匀的紫色等离子体通道。

2. 颗粒物去除机制：PM_2.5在交变电场中发生双极荷电，振荡离子风促进颗粒碰撞，静电吸引力使团聚体尺寸增大3-5倍，显著提升捕获效率。

3. 气态污染物降解路径：SO₂主要通过·OH氧化为SO₃，而NO降解存在两条路径——高速率的·O直接氧化与慢速但高产的O₃间接氧化，相对湿度55%时·OH产量提升27%。

【结论】该研究首次阐明NTP技术中颗粒物荷电-团聚与气态污染物氧化的协同机制，提出的SEI优化模型（200-250 J/L）为工程放大提供重要参考。相比传统"脱硫塔+SCR"组合工艺，NTP-DGP系统能耗降低40%，且无二次污染，对实现"双碳"目标具有重要实践意义。作者Xingyu Pang指出，下一步将重点解决大尺度反应器中放电均匀性控制难题。