高能VUV光解/催化氧化协同降解偏二甲肼废气研究

Aiming at the problems of gas purification of liquid propellant dimethylhydrazine, the project presents a simple and efficient technology for dimethylhydrazine waste gas purification at room temperature by using high energy vacuum ultraviolet light(VUV) and manganese oxide as catalytic oxidation technology. Based on the research progress of control purification technology of volatile organic compounds in indoor air to further improve the air quality of special enclosed space such as the area of dimethylhydrazine propellant, and to enhance the capability of disposal of Hydrazine propellant accidents. VUV photolysis coupling catalytic oxidation mechanism and the study of reaction law during the degradation of partial dimethylhydrazine are the two core tasks of this project. This project will focus on the mechanism study of highly effective VUV photolysis and synergistic catalytic oxidation of dimethylhydrazine, and the study of the mechanism of the preparation and catalytic action of the high effective catalyst of light carbon material MnOx. This project will focus on the research on the mechanism of high efficiency VUV photolysis Co-catalytic oxidation of dimethylhydrazine, the preparation and catalytic mechanism of high efficiency catalyst of light carbon material MnOx, the chemical reaction mechanism of dimethylhydrazine in the process of synergistic degradation, and the law of reaction Kinetics and energy change, so as to obtain an efficient purification method of dimethylhydrazine and optimized controlled process conditions, so as to accomplish the project task and achievement of expected research objectives.

本课题针对我国液体推进剂偏二甲肼废气污染净化技术存在的问题，围绕封闭空间偏二甲肼废气的高效快速处理方法和技术，借鉴室内空气中挥发性有机物控制净化技术的研究进展，提出利用高能真空紫外光（VUV）光解协同锰氧化物催化氧化技术，研究在室温条件下简单高效的偏二甲肼废气净化技术与净化工艺，进一步改善偏二甲肼推进剂库区等特殊封闭空间的空气质量，增强部队在特殊环境下处置肼类推进剂事故的能力。其中VUV光解耦合催化氧化机制及对偏二甲肼降解过程中反应规律研究是本项目要完成的两个核心任务。本项目将围绕①高效VUV光解协同催化氧化偏二甲肼作用机制研究，②轻质碳材料/MnOx高效催化剂制备与催化作用机制研究，③偏二甲肼在协同作用降解过程中化学反应机制及反应动力学规律、能量变化规律等关键科学问题开展工作，获得一种高效的偏二甲肼净化方法和优化可控的过程工艺条件，从而完成项目研究任务，实现预期研究目标。

为有效消除高毒液体推进剂偏二甲肼(UDMH)污染对人员和环境的危害，本项目递进式构建系列高能VUV光解耦合催化的高级氧化体系。搭建了VUV光解耦合催化降解UDMH实验系统及产物检测平台，选取去除率和矿化率为主要的评价指标，分析对比研究不同工艺体系对降解效能的影响，探究耦合工艺中各部分的协同作用机制及特点，制备高效金属氧化物/轻质碳材料催化剂，探究催化活性与催化剂理化性质的构效关系，获得了一种基于VUV光解耦合高效催化降解UDMH气态污染物的净化方法。重要结果和关键数据如下：（1）研究了VUV/MnO2降解UDMH气体的方法，并探究了其中光解、光氧化和MnO2催化O3氧化作用和相互协同促进机制。其中，表面氧空位主导着MnO2催化活性。（2）研究了光催化TiO2/rGA降解UDMH气体的方法。揭示了石墨烯载体有利于光生载流子的分离和UDMH的吸附，进而促进降解效率，VUV光催化效能显著优于UVC的规律。（3）理论研究了轻质碳材料的表面结构对UDMH吸附效果的影响规律。使用Materials studio软件对轻质碳材料结构表面及UDMH分子进行建模，对具有不同表面结构的轻质碳材料的吸附能、差分电荷等数据进行了理论计算。对比分析并结合前期实验验证，得到具有最佳吸附效果的轻质碳材料表面结构，为材料制备和优化提供理论参考和思路借鉴。（4）提出了基于水吸收法协同VUV光解/催化工艺降解UDMH的方法。针对气态UDMH干法净化方法矿化率偏低、降解不彻底等问题，进一步研究了水吸收法净化UDMH的方法，将强极性UDMH通过水吸收法高效转移至水相，再进行VUV光解/催化高级氧化深度处理，并提出了相关反应机制。研究优化了VUV/TiO2/SBA-15降解UDMH吸收液的工艺条件，所制备光催化剂活性是商用P25的1.71倍，该技术可在20 min内完全去除UDMH污染，3 h矿化率可达83%。（5）对比研究VUV活化H2O2及PMS降解UDMH吸收液方法，发现氧化剂的加入明显促进UDMH降解与矿化，VUV/H2O2降解速率更快，但VUV/PMS矿化效果更好(30 min矿化率高达81.8%)。本项目为VUV高级氧化体系构建提供思路，为高活性光催化剂的制备提供新的见解，为特种污染物的有效控制提供基础数据和理论支撑，为实际应用提供指导。