湿式催化非热等离子体：同时去除VOCs与纳米颗粒的高效方案

大阪都立大学 Ryotaro Shibata 等人在湿式催化 NTP 反应器上取得的最新实验成果

关键词
催化剂, 非热等离子体, 颗粒物, 挥发性有机物, 湿式, 静电除尘器, 废气治理

随着工业生产与城市化发展，挥发性有机物（VOCs）和细颗粒物（PM2.5/纳米颗粒）成为影响环境与健康的双重挑战。尤其是印刷、涂装、化工、造纸等行业的废气，往往同时富含可溶性或难降解的有机污染物与超细颗粒，给传统治理设备带来能耗高、副产物多、维护成本大的问题。基于此，大阪都立大学（Osaka Metropolitan University）Ryotaro Shibata、Kota Okabe、Haruhiko Yamasaki 等人提出并验证了一种“湿式催化非热等离子体（wet-type catalytic nonthermal plasma, NTP）反应器”，在室温和大气压下实现了对VOCs与纳米颗粒的同步控制[1]。

该装置以垂直石英管为反应室，内置中心放电电极（不锈钢细线）和涂银的接地外壁，填充α-氧化铝球形催化载体，并在内壁形成均匀水膜（由上部溢流箱回流）。在约30 kV 峰值脉冲电压（210 Hz）下，放电形成的非热等离子体产生高活性氧/OH等自由基，同时水膜激活催化面并将水溶性副产物洗脱带走。下游设置MnO2床层以降低臭氧等副产物，气体流量实验条件为Q≈10 L/min，水流q≈100 mL/min。实验中使用多分散聚苯乙烯纳米粒子（29–303 nm）作为颗粒负载，并分别掺入甲苯、乙醛、乙酸与氨进行单组分测试[1]。

结果显示，在推荐工况下，纳米颗粒平均收集效率≥98%，在水膜存在时可达到100%（22–334 nm范围）；对典型VOCs的去除率为：甲苯约73%、乙醛与乙酸接近100%、氨约95%。能效方面，甲苯去除能效约1.8 g/kWh，乙醛约2.4 g/kWh，乙酸约0.93 g/kWh，氨约0.47 g/kWh，整体优于部分现有室温等离子体/催化耦合方案[1,16,17]。研究指出，湿式设计可抑制颗粒重悬，利于水溶性产物的在线去除，但水汽会对甲苯等不易亲水VOCs的电子能量与活性物种造成一定淬灭，需通过提高电压或延长停留时间优化处理效率。

对中国工业应用而言，该技术具有明确的落地价值。浆纸、钢铁、水泥与化工企业面临的VOC与细颗粒协同达标压力，需要兼顾排放合规、能耗与运维成本。湿式催化NTP在常温常压下运行、无需高温催化贵金属（可用α-氧化铝等廉价载体），并能在线洗脱水溶性副产物，适合与电除尘器（ESP）系统集成：在一次静电除尘后接入NTP湿洗段，可进一步处理难降解VOCs与纳米级剩余颗粒。艾尼科（Enelco）在极板、极线及电场优化方面的技术积累，可为该湿式NTP 方案提供定制化的电场布置、极间控制与气流均化设计，降低高压损耗、提升颗粒电荷与沉降效率，从而在产业化部署中实现更低的运行费用和更高的稳定性。

未来发展方向包括：放电参数与催化剂材料（如掺杂Mn、Ce等过渡金属）协同优化、放电区与水膜流场的尺度放大试验、以及在线产物谱（如苯甲醛、甲酸、CO2选择性）与水相离子分析。结合艾尼科的ESP改造案例和电场仿真，湿式催化NTP有望在大型烟气处理链中成为补充或改良型技术，帮助企业在满足排放标准的同时实现节能降耗与运维简化。

本研究由大阪都立大学 Haruhiko Yamasaki 团队牵头，第一作者 Ryotaro Shibata（报告者）等实施的实验验证了湿式催化非热等离子体在VOCs与纳米颗粒同步治理中的可行性与能效优势，为中国相关行业的废气治理提供了可参考的技术路径与工程整合思路[1]。

参考文献
[1] Yamasaki H., Kishimoto K., Shimada T., Kuroki T., Kang J., Kim D.W., Yagi T., Okubo M., Toward ideal VOCs and nanoparticle emission control technology using a wet-type catalysis nonthermal plasma reactor, IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 58, pp. 6591–6598, 2022.
[2] Shayegan Z., Haghighat F., Lee C.S., Photocatalytic oxidation of volatile organic compounds for indoor environment applications: Three different scaled setups, Chem. Eng. J., Vol. 357, pp. 533–546, 2019.
[12] Feng X., Liu H., He C., Shen Z., Wang T., Synergistic effects and mechanism of a non-thermal plasma catalysis system in volatile organic compounds removal: a review, Catal. Sci. Technol., Vol. 8, pp. 936–954, 2018.
[16] Wang B., Chi C., Xu M., Wang C., Meng D., Plasma-catalytic removal of toluene over CeO2–MnOx catalysts in an atmosphere dielectric barrier discharge, Chem. Eng. Sci., Vol. 322, pp. 679–1692, 2017.
[17] Matyakubov N., Nguyen D.B., Saud S., Heo I., Kim S.J., Kim Y.J., Lee J.H., Mok Y.S., Effective practical removal of acetaldehyde by a sandwich-type plasma-in-honeycomb reactor under surrounding ambient conditions, J. Hazard. Mater., Vol. 415, 125608, 2021.

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