陈姗姗，冯涛

（黄河水利职业技术学院，河南开封 475004）

乙烯又被称为植物催熟激素，它是果蔬在成熟过程中的一种自然代谢物。乙烯浓度高时，将增强果蔬的呼吸作用，加速成熟和衰老过程，不利于贮藏保鲜，因此在果蔬贮藏过程中要尽量降低环境中的乙烯浓度，以延长果蔬的贮藏时间[1]。

目前脱除果蔬贮藏环境中乙烯的方法主要有吸附法、氧化法、催化法等，但每种方法都存在着各自的局限性，在实际应用中受到一定的限制[2-4]。Vercammen等[5]在1997年报道了低温等离子体技术可以有效的去除低浓度的有机化合物。自此，该技术在气态污染物的治理方面便引起了人们的极大关注[6-8]，但在果蔬贮藏环境中应用低温等离子体技术降解乙烯的研究并不深入。

本文利用自行研制的介质阻挡放电（DBD）反应器对模拟果蔬贮藏环境中的低浓度乙烯进行降解研究，以期为低温等离子体技术在该领域的应用提供有价值的理论和实验参考。

1 实验装置和方法

实验装置由DBD反应器、交流高压电源、模拟乙烯气体产生系统、电压采集系统和气体在线分析系统组成，如图1所示。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

DBD反应器为一圆筒形石英玻璃管（外径12 mm，内径10 mm，长20 cm），正负电极分别由直径6 mm的不锈钢棒和一定宽度的导电胶带构成。交流高压由YD型交流高压电源供给，采用P6015A型高压探头和TDS3054B型示波器采集电压电流数据。用D07-7B/ZM型质量流量计控制乙烯初始浓度，并将其与N2和O2模拟的空气经混合器混合并冷却后（4℃，TCL502型冷热两用水浴）进入DBD反应器。乙烯的浓度由两台SP3430型气相色谱在线分析（FID检测，色谱柱为固定相Porapak Q）。

1.1 仪器

YD型高压交流电源：北京机电院高技术股份有限公司；TDS3054B示波仪、P6015A高压探头、TCP202电流探头：美国泰克（Tektronix）科技公司；D07-7B/ZM质量流量计：北京七星华创电子股份有限公司；TCL502冷热两用水浴：郑州南北仪器设备有限公司；SP3430气相色谱：北京北分瑞利分析仪器有限责任公司。

乙烯的去除率由式（1）计算。

式中：C0、C分别为DBD反应器进、出口乙烯的浓度，（mg/L）。

定义能量密度P（J/L）为注入给DBD反应器中单位体积气体的能量，由交流高压电源提供的电压与电流平均值计算得到。能量效率ηd（mol-C2H4/kWh）定义为每单位电能去除的乙烯摩尔数，见式（2）。

式中：Q为混合气体流量，（mL/min）；T为DBD反应器进口处气体温度。

2 结果和分析

2.1 典型的电压电流波形

图2为采集到的DBD放电典型的电压电流波形（电压均值为7.8 kV），尽管从电压波形上看不到明显的放电产生，但从电流波形上显示的大量脉冲电流证明了电晕放电的发生。

图2 典型的电压电流波形Fig.2 Typical waveforms of voltage and current

2.2 导电胶带宽度对乙烯去除率与能量效率的影响

首先考察导电胶带宽度对乙烯去除率与能量效率的影响。在混合气体流量为200 mL/min，乙烯初始浓度为1.5 mg/L，导电胶带宽度分别为1、3、10 mm的试验条件下，乙烯的去除率随高压交流电源输出电压均值的变化情况如图3所示。

由图3可知，随着电压的增加，乙烯的去除率几乎成线性增长。另外，当电压均值为8.5 kV，导电胶带宽度为10 mm时，乙烯的去除率达到了95%，而1 mm导电胶带宽度此时的去除率只有70%。这是由于在其他条件不变的情况下，随着电压与导电胶带宽度的增加传入反应体系的能量也随之增大，导致气体放电产生更多的高能电子与·OH、O·等活性自由基，同时导电胶带宽度的增加也使得乙烯在反应器中的停留时间延长，从而提高了乙烯的去除率。

在不同的导电胶带宽度下，乙烯的能量效率随电压均值的变化情况如图4所示。

图3 导电胶带宽度对乙烯去除率的影响Fig.3 Effect of electric conductive tape width on removal rate of ethylene

图4 导电胶带宽度对乙烯能量效率的影响Fig.4 Effect of electric conductive tape width on energy efficiency of ethylene

由图4可知，等离子体氧化乙烯的能量效率亦随着导电胶带的宽度增加而增加。当电压均值为8.5 kV，导电胶带宽度为10 mm时，等离子体降解乙烯的能量效率达到0.22 mol/kWh。而随着反应体系电压均值的增加，乙烯的能量效率也增加，当放电电压达到5.8 kV以后，能量效率逐渐趋于稳定，因此在反应体系中并不是一味的增加放电电压就能取得良好的能量效率。

2.3 乙烯初始浓度对去除率影响

固定导电胶带宽度为10 mm，在其他实验条件不变的情况下，调节乙烯初始浓度分别为1、1.5、2 mg/L，乙烯的去除率随高压交流电源输出电压均值的变化情况如图5所示。

图5 乙烯初始浓度对去除率的影响Fig.5 Effect of initial concentration on removal rate of ethylene

实验结果表明，乙烯的去除率随着浓度的增加而降低，在放电电压为7.3 kV条件下，初始浓度为2 mg/L的乙烯的去除率为85%，而初始浓度为1 mg/L的乙烯的去除率则达到了100%。这是由于在注入反应器的能量一定的条件下，乙烯初始浓度增大，虽然等离子区的活性粒子与乙烯发生碰撞、反应的机会增大，乙烯的绝对去除量也相应增大，但是高能电子与活性自由基数量一定，乙烯数量增多，则每个乙烯分子与电子或活性自由基碰撞的机会减小，因此乙烯的去除率减小。

3 结论

1）乙烯的去除率随着乙烯初始浓度的增加而降低，随着放电电压与导电胶带宽度的增加而增加。当电压均值为7.3 kV，乙烯初始浓度为1 mg/L，导电胶带宽度为10 mm时，乙烯的去除率达到了100%。

2）乙烯的能量效率随着放电电压与导电胶带宽度的增加而增加。当电压均值为8.5 kV，乙烯初始浓度为1.5 mg/L，导电胶带宽度为10 mm时，等离子体降解乙烯的能量效率达到0.22 mol/kWh。

3）尽管低温等离子体技术是一种可行且有效的降解果蔬贮藏环境中乙烯方法，但是过高的处理成本成为该项技术进一步发展的瓶颈，因此，如何降低成本，提高处理效率将成为该技术今后主要的发展方向。

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[1]彭丽桃,蒋跃明.园艺作物乙烯控制研究进展[J].食品科学,2002,23(7):132-136

[2]Ye S Y,Tian Q M,Song X L,et al.Photoelectrocatalyticdegradation of ethylene by a combination of TiO2andactivated carbon felts[J].Journal of Photochemistry and Photobiology A:Chemistry,2009,208(1):27-35

[3]Michaele,Deant Z,Walter T.Catalytic and photocatalyticoxidation of ethylene on titania-based thin-films[J].Environ,Sci Technol,2000,34(24):5206-5210

[4]叶盛英,贺明书,岑超平,等.TiO2纳米粒子气固光催化降解乙烯初探[J].农业工程学报,2005,21(5):166-169

[5]Vercammen K L L,Berezin A A,Lox F,et al.Non–thermal Plasma Techniques for the Reduction of Volatile Organic Compounds in Air Streams:a Critical Review[J].Journal of Advanced Oxidation Technologies,1997,2(2):312-329

[6]李党生,冯涛,姚水良.低温等离子体与催化剂联用降解空气中低浓度的苯[J].环境科学与技术,2007,30(10):65-67

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