非热等离子体诱导的NH?选择性氧化为NH?NO?

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Non-thermal plasma-induced NH 3 selective oxidation to NH 4NO 3

低温等离子体中氨氧化生成硝酸铵的机制研究，发现高能电子和OH自由基主导转化过程，放电功率9W和湿度80%时分别实现98%转化率和95.3%选择性。

　　

李凯|邢云和|丁宇轩|王百根|沈伟强|郭杰|王冲|金玉珍|张连城|潘华|冯法达|张旭明

浙江科技大学多流与流体机械重点实验室，中国杭州310018

摘要

氨（NH₃）是大气环境中主要的无机气溶胶前体，其部分氧化产物硝酸铵（NH₄NO₃）不仅可作为选择性催化氧化NH₃的关键中间体，还可作为可利用的氮肥资源。低温等离子体被认为是一种成本效益高的实现这一部分氧化的技术；然而，等离子体诱导的NH₃转化及NH₄NO₃的形成机制仍不甚明了。在本研究中，我们探讨了在介质阻挡放电反应器中NH₃向NH₄NO₃的转化过程。通过研究电子能量、电子密度、反应温度和活性物种对NH₃氧化的影响，我们获得了重要的机制见解。NH₃的转化主要由高能电子、O原子、OH自由基和O₃引发，它们的相对贡献分别为37.1%、53.6%、6.2%和3.1%。NH₄NO₃的形成主要源于NH₃与其氧化产物HNO₃之间的后续反应，而HNO₃主要由NO₂与OH自由基的反应生成。虽然提高电子密度和能量以及反应温度可以促进NH₃的转化，但同时也通过电子诱导和热分解作用抑制了NH₄NO₃的分解。湿度的增加会通过降低电子密度来影响NH₃的转化速率，但同时通过富集OH自由基提高了NH₄NO₃的选择性。在9 W的放电功率下，NH₃的转化率达到98%；而在相对湿度为80%时，NH₄NO₃的选择性达到95.3%。我们的研究结果有助于设计出可扩展、成本低廉且目标明确的NH₃氧化工艺。

章节摘录

引言

全球氨（NH₃）的年排放量约为49太克，主要来源于畜牧业、发酵工业、化学生产以及新兴的氨能相关领域[1]。作为一种具有强烈刺激性气味的气体，吸入NH₃会对人体呼吸道造成损害并影响多个器官。此外，释放到大气中的NH₃还会促进二次无机气溶胶（SIA）的形成[2]。由NH₃引发的SIA

实验部分

图1展示了实验装置的示意图。石英管（内径10毫米，壁厚1毫米）作为介质阻挡放电（DBD）反应器中的介质阻挡层。一根直径为6毫米的不锈钢棒 coaxially 放置在石英管内，用作高压电极；石英管外壁缠绕着一段50毫米长的不锈钢网，作为接地电极。放电间隙距离为2毫米。

DBD反应器由交流电源驱动

放电功率的影响

放电功率是等离子体化学反应中的关键控制参数，因为它直接决定了电子密度。如图2a所示，当放电功率从3 W增加到7 W时，NH₃的转化率从37%上升至91%；进一步增加到9 W时，转化率仅从91%增加到98%；当功率继续增加到11 W时，NH₃的转化率略微下降至96%。

实验中我们使用氩气作为

结论

本研究系统地探讨了等离子体条件下NH₃转化和NH₄NO₃形成的特性。具体而言，我们通过改变放电功率、背景温度和气体成分，研究了电子能量、电子密度、反应温度和活性物种组成对等离子体化学反应的影响。研究结果表明，NH₃的转化主要由高能电子、O原子、OH自由基和O₃引发

作者贡献声明

张连城：研究指导与方法论设计。金玉珍：数据分析。冯法达：方法论设计。潘华：写作、审稿与编辑。王冲：资源协调。郭杰：数据分析。王百根：资源协调。邢云和：写作初稿、资源协调与实验设计。张旭明：写作、审稿与编辑、研究指导与概念框架构建。李凯：实验设计、数据分析与概念框架构建。沈伟强：资源协调与数据分析。丁宇轩：资源协调与方法论设计

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号12375253）、浙江省领头鹅计划（项目编号2025c02224）、杭州市重点研发项目（项目编号2024SZD1B26）、浙江科技大学科学基金（项目编号19022108-Y、21022310-Y和21022092-Y）以及浙江多流与流体机械重点实验室（项目编号2024E10006）的支持。