宾夕法尼亚州立大学詹妮弗·马修斯 低温下氢气或甲烷等离子体催化还原二氧化硫为硫的示意图
信用:宾夕法尼亚州立大学 宾夕法尼亚州立大学的科学家表示，一种将尾气中的二氧化硫转化为纯硫的单步等离子体增强催化工艺，可能为当前的多级热、催化和吸收工艺提供一种更有前途、更环保的替代方案
宾夕法尼亚州立能源管理系统研究所的副教授王小杏说:“二氧化硫会导致酸雨等严重的环境问题，还会导致海洋酸化。”
“硫还会在我们呼吸的空气中形成微粒物质，比二氧化硫本身更严重
" 接触颗粒物估计会导致4
根据2015年发表的《柳叶刀》全球疾病负担研究，有200万人过早死亡，超过1亿人经过残疾调整的生命年数——这是衡量因疾病、残疾或死亡而损失的年数
根据王的说法，目前的脱硫方法可以成功地从尾气物流中除去二氧化硫，但不是没有明显的缺点
例如，烟气脱硫技术是最常用的捕获二氧化硫的方法，但这些方法会产生大量金属硫酸盐形式的固体废物，需要进行处理
此外，这些工艺产生需要额外处理的废水，使得整个方法成本高且对环境不友好
或者，二氧化硫可以通过催化作用被还原成固体元素硫——一种由催化剂引发的化学反应，通常还原剂是氢气、甲烷或一氧化碳——然后被用作肥料等物质的原料
然而，在传统的催化过程中通常需要高温来获得高转化率
根据科学家的说法，这并不理想，因为它消耗了大量的能量，而且催化剂的活性也丧失了
由于这些缺陷，王和他的同事们测试了一种新技术，一步低温等离子体辅助催化工艺，这种工艺不需要高温，产生的废物远远少于烟气脱硫技术
为了测试这一过程，研究小组将硫化铁催化剂装入填充床反应器
然后他们引入氢气和二氧化硫气体混合物，它们以大约300华氏度的温度通过催化剂床
然后他们打开非热等离子体，反应立即开始发生
一旦这个过程完成，他们分析样本，看看气体中有多少二氧化硫，消耗了多少氢气
他们还收集并分析了堆积在反应器底部的固体硫
他们在美国化学学会催化杂志和最近一期催化杂志上发表了他们的结果
“我们使用的温度，150摄氏度(约300华氏度)，高于硫熔点，以避免硫沉积在催化剂上，”王说
“通过这一过程，催化剂表现出非常优异的稳定性
运行几个小时后，我们没有看到任何停用
活性和选择性保持不变
" 研究人员还发现，这一过程极大地促进了低温下二氧化硫的减少，使用氢气和甲烷时，转化率分别提高了148%至200%和87%至120%
工程设计、技术和专业项目学院的助理教授肖恩·克纳特说，NTP之所以有效，是因为高能电子与气体分子相互作用，产生活性物质——自由基、离子和受激分子——从而在低温下实现各种化学反应
“其结果是，电子能够在比热催化低得多的温度下，通过分解和激发反应物来引发热力学上不利的化学反应，”克内赫特说
“如果这些反应能够在比典型的热催化反应低得多的温度下进行，正如我们已经表明的那样，那么未来系统的功率输入就会显著减少，这是一件大事
" 王补充说，使用等离子体使他们只需10瓦的电力就能达到最佳性能
另一个优点是，可再生能源，如风能或太阳能，可以很容易地应用于这一过程，为等离子体供电
研究人员现在希望更好地理解等离子体对催化过程的确切贡献，并寻求开发一种更有效的过程催化剂
“我们目前正在努力解决的一个挑战是进一步分离等离子体的影响与催化剂的影响以及协同方面，”克内赫特说
“我们目前和将来都会考虑一些表面光谱学的选择，结合计算建模
将这些结合在一起可以提供对物理和化学的更全面的理解
" 如果这个过程是可商业化的，它有可能在很大程度上取代目前的FDG技术
“它对能源和环境非常有益，”王说
“我们的流程节约能源、减少浪费并节约用水
这是非常具有变革性的
"
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