CN103331082B - 一种粒子群电极吸附耦合电催化氧化处理含苯废气的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粒子群电极吸附耦合电催化氧化处理含苯废气的装置，包括筒体和电解反应器；所述筒体的两端分别设有进气口和出气口；所述筒体内部设有电解反应器；所述电解反应器包括若干组单元反应器；所述单元反应器包括并行设置的正极导电板和负极导电板；所述正极导电板、负极导电板之间由粒子群电极填充。本发明可以有效提高含苯有机污染物的废气的处理效果，有机废气在粒子群电极表面吸附后即刻被降解，实现有机废气吸附和降解一体化，处理效率高，无二次污染。装置体积小，设备成本低，操作简单，运行使用费用低廉；本装置可根据废气量和处理要求配备适当数量的单元反应器，经济、高效。

Description

一种粒子群电极吸附耦合电催化氧化处理含苯废气的装置

技术领域

本发明涉及一种粒子群电极吸附耦合电催化氧化处理含苯废气的装置，特别是一种利用粒子群电极吸附，结合电催化氧化吸收含苯有机废气的装置。

背景技术

含苯、甲苯、（邻、间、对）二甲苯、乙苯、苯乙烯、异丙苯有机废气，产生于石油化工、有机化工、炼焦业、农药、橡胶粘合剂、人造革、漆布、胶布、绝缘材料业以及装修家具制造业等。这些苯系物污染物不仅对人体有较大的毒性，危害身心健康，而且大量排放还对局部环境造成严重影响。由于这类废气化学结构较稳定，不易降解，加之水溶性较差，给净化处理带来很大的困难。

一般地，采用吸收和吸附技术、冷凝技术和热破坏技术是目前应用最广泛的苯系物有机废气实用治理技术，但上述方法都有各自无法避免的缺陷，其中冷凝法主要用于高浓度苯系物的去除，但对低浓度苯系物采用冷凝的成本较高，故只能用于苯系物有机废气治理的预处理；采用水和柴油或添加其它特种有机溶剂对苯系物进行吸收处理，由于苯系物亲水性差，故处理效果一般，此外吸收法运行成本过高、同时极易造成尾气中非甲烷总烃的超标，因此，在实际应用中，吸收技术只是作为其他治理技术的辅助手段用于废气的前处理工艺和后处理工艺中。吸附法对低浓度苯系物脱除效率较高，但吸附剂需更换或再生，无法达到彻底去除有害气体的目的，故常与热力氧化等方法联用，另外对于含有颗粒物或者橡胶弹性体类废气，吸附剂因活性空隙被堵塞而失效，对于处理大气量时吸附剂用量大，吸附设备体积庞大，投资成本高。热力氧化法（包括热力焚烧、催化燃烧以及蓄热燃烧）能有效分解苯系物，但系统对运行条件要求较高，对于催化燃烧要求在200℃以上运行，而对于热力焚烧和蓄热燃烧要求在700℃以上运行，投资和运行费用高。对于含硫和卤素的废气，易造成催化剂中毒。

电解氧化技术是环境工程领域内应用最广泛的电化学方法，该法是在外加电场作用下，通过阳极反应直接降解有机污染物，或利用在电极反应产生的各种羟基自由基(·OH)、臭氧、H₂O₂、次氯酸根、氯气和原子氧等强氧化剂中间产物使污染物被降解。然而传统的平板二维电极面体比较小，单位槽体处理量小，电流效率低，尤其是在电导率低时，因而在实践中难以有突破性进展。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决上述背景技术中提到的问题，提供一种能够有效处理含苯有机废气且成本较低的装置。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

一种粒子群电极吸附耦合电催化氧化处理含苯废气的装置，包括筒体和电解反应器；所述筒体的两端分别设有进气口和出气口；所述筒体内部设有电解反应器；所述电解反应器包括若干组单元反应器；所述单元反应器包括并行设置的正极导电板和负极导电板；所述正极导电板、负极导电板之间由粒子群电极填充。

所述筒体靠进气口的一端设有气体分布器；废气从进气口经气体分布器可以分布更均匀；所述筒体靠出气口的一端设有除雾器；除雾器可以有效的去除夹杂在废气中的雾沫和灰尘；所述筒体外壁上分布有水冷却夹套，所述水冷却夹套的两端分别设有冷却水入口和冷却水出口；冷却水夹套通过调节冷却水流量以控制电解质溶液温度在30℃以下。

所述正极导电板为Ti电极层—表层或Ti电极层—中间层—表层结构；所述中间层、表层为复合金属氧化物层。

所述表层为IrO₂-MnO₂层；所述IrO₂与MnO₂的摩尔比为0.3～0.5∶1；所述IrO₂-MnO₂层占正极导电板的负载量为3～5W.t.%。

所述中间层为SnO₂-Ta₂O₅层；所述SnO₂与Ta₂O₅的摩尔比为0.3～0.5∶1；所述SnO₂-Ta₂O₅层占正极导电板的负载量为1～2W.t.%。设置中间层能进一步提高电极的导电性和抗氧化性，降低电极电位，增强吸除效果。

所述负极导电板为外面包裹绝缘膜的不锈钢网。正极导电板和负极导电板呈竖直放置，不锈钢网围绕在正极导电板周围。

所述粒子群电极包括直径为1～20mm的活性炭颗粒与高分子绝缘材料。

所述活性炭为改性活性炭；具体改性过程为：将原始活性炭放入温度为110℃的恒温干燥箱24h后取出，在干燥器中冷却备用，同时将叔丁基二甲基氯硅烷和环己烷按照体积比1∶1～2配成混和溶液，将经过恒温干燥的原始活性炭浸入混和溶液24～48h，取出后放入密闭容器中，减压至0.1MPa的真空状态，加热活性炭至100℃，以氮气作为保护气，冷却至室温，即制得改性活性炭。

所述高分子绝缘材料占粒子群电极的填充体积比为5%～15%；所述高分子绝缘材料为软质聚氯乙烯、酚醛层压塑料、醋酸纤维素塑料、氯乙烯-丙烯共聚物、氯化氯乙烯、玻璃纤维增强尼龙中的一种或多种。具体需综合考虑材料密度、耐热温度、化学性质稳定性等确定。

电解反应器的电解质溶液采用质量浓度为1%～10%的氯化钠和/或硫酸钠溶液。所述电解反应器采用直流或脉冲供电，供电电压为1～30V，电流密度为50～1000A/m²。通电状态下苯系物去除效果更好。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点是：1）本发明的电极材料低电阻率、高析氧电位，粒子群电极极大地提高了电解槽单位体积有效反应表面积，传质效果、电流效率相应提高；2）本发明电极寿命长，电解运行2000h以上还能保持良好的去除效果；3）本发明采用改性活性炭粒子群电极吸附结合电催化氧化，可以有效提高含苯、甲苯、（邻、间、对）二甲苯、乙苯、苯乙烯、异丙苯等有机污染物的废气的处理效果，IrO₂-MnO₂/Ti电极对苯系物去除效果达93%以上，IrO₂-MnO₂/SnO₂-Ta₂O₅/Ti电极对苯系物去除效果达98%以上；有机废气在粒子群电极表面吸附后即刻被降解，实现有机废气吸附和降解一体化，处理效率高，无二次污染；4）本发明装置体积小，设备成本低，操作简单，运行使用费用低廉；5）本装置不通电时可吸附废气，通电时去除废气效果更好，可根据吸附要求决定，也可根据废气量和处理要求配备适当数量的单元反应器，经济、高效。

附图说明

图1是装置的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明装置包括筒体1和电解反应器；筒体下端设有进气口2，上端设有出气口3；筒体1内部设有电解反应器；电解反应器可由若干组单元反应器组成，如7组、9组等；单元反应器包括正极导电板4和负极导电板5；正极导电板4、负极导电板5之间由粒子群电极6填充。正极导电板4和负极导电板5呈竖直放置，不锈钢网围绕在正极导电板4周围。筒体1与进气口2之间设有气体分布器7；筒体1与出气口3之间设有除雾器8；筒体外壁上分布有水冷却夹套9，水冷却夹套的两端分别设有冷却水入口10和冷却水出口11。

待处理苯系物有机废气由装置进气口2通过气体分布器7进入由导电板与粒子群电极6组成的电解反应器时，有害气体在粒子群电极6与导电板构成的无数个微电池的电极反应作用下得到有效的吸附和降解，净化后的气体通过除雾器8除雾后从出气口3排出。

下面通过具体的实施例对本发明进一步说明，

实施例1

本装置内置电解反应器的尺寸为500mm×500mm×1000mm，由9组单元反应器组成，正极导电板由9根Ti电极组成，正极导电板间距为100mm，负极导电板为不锈钢网，电极网孔均为2mm×2mm。正极导电板和负极导电板呈竖直放置，不锈钢网围绕在正极导电板周围。正极导电板、负极导电板之间由直径为10mm的改性活性炭颗粒与软质聚氯乙烯混合的粒子群电极填充。电解液为质量浓度5%的硫酸钠溶液，为了对照，同样的装置，粒子群电极由未改性活性炭填充。气体流量20m3/h；气体温度20℃；电解质溶液温度控制在30℃以下，在不通电情况下考察不同粒子群电极对含苯有机废气的吸附效果，实验结果如表1所示。数据表明，改性活性炭填充的粒子群电极可以有效提高苯系物在电极表面的吸附效果。

表1不同填充材料下苯系物吸附效果

实施例2

本装置内置电解反应器的尺寸为500mm×500mm×1000mm，由9组单元反应器组成，正极导电板由9根Ti电极组成，正极导电板间距为100mm，负极导电板为不锈钢网，电极网孔均为2mm×2mm。正极导电板和负极导电板呈竖直放置，不锈钢网围绕在正极导电板周围。正极导电板、负极导电板之间由直径为10mm的改性活性炭颗粒与软质聚氯乙烯混合的粒子群电极填充。电解液为质量浓度5%的硫酸钠溶液，为了对照，同样的装置，粒子群电极由未改性活性炭填充。设置直流电压10V，电流60A/m²；气体流量20m³/h；气体温度20℃；电解质溶液温度控制在30℃以下；实验结果如表2所示。结合实施例1，数据表明，通电状态比不通电状态苯系物吸附效果更好。

表2不同填充材料下苯系物去除效果

,实施例3

本实施例装置设置及控制条件同实施例2，区别在于正极导电板分别为Ti电极、SnO₂/Ti电极、IrO₂/Ti电极、MnO₂/Ti电极、PbO₂/Ti电极。测试在同样条件下不同正极导电板对苯系物去除效果的影响，测试结果见表3。结果表明，金属氧化物复合电极比单纯的Ti电极去除效果好，而IrO₂/Ti电极和MnO₂/Ti电极比另外两种金属氧化物电极去除效果更好。

表3

实施例4

本实施例装置设置及控制条件同实施例2，区别在于正极导电板分别为IrO₂-MnO₂/Ti电极和IrO₂-MnO₂/SnO₂-Ta₂O₅/Ti电极。测试在同样条件下不同正极导电板对苯系物去除效果的影响，测试结果见表4。结合表3，结果表明，IrO₂-MnO₂/Ti电极的去除效果好于单纯Ti电极、IrO₂/Ti电极以及MnO₂/Ti电极，而增加SnO₂-Ta₂O₅氧化物中间层的IrO₂-MnO₂/SnO₂-Ta₂O₅/Ti电极的去除效果又好于IrO₂-MnO₂/Ti电极，原因是中间层氧化物能提高电极的导电性和抗氧化性，降低电极电位。

表4不同复合金属氧化物电极材料下苯系物去除效果

实施例5

本实施例装置设置及控制条件同实施例2，区别在于正极导电板为IrO₂-MnO₂/SnO₂-Ta₂O₅/Ti电极。测试电解运行时间对苯系物去除效果的影响，测试结果见表5。结果表明，IrO₂-MnO₂/SnO₂-Ta₂O₅/Ti电极在电解运行2000h以上还能保持良好的去除效果，说明电极寿命较长。

表5不同电解运行时间下苯系物去除效果

实施例6

本发明也可采用如表6的组合形式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

表6

Claims (8)

1.一种粒子群电极吸附耦合电催化氧化处理含苯废气的装置，其特征在于：包括筒体（1）和电解反应器；所述筒体的两端分别设有进气口（2）和出气口（3）；所述筒体（1）内部设有电解反应器；所述电解反应器包括若干组单元反应器；所述单元反应器包括并行设置的正极导电板（4）和负极导电板（5）；所述正极导电板（4）、负极导电板（5）之间由粒子群电

极（6）填充；所述正极导电板（4）为Ti 电极层—表层或Ti 电极层—中间层—表层结构；所述中间层、表层为复合金属氧化物层；所述表层为IrO₂-MnO₂ 层；所述IrO₂ 与MnO₂ 的摩尔比为0.3~0.5∶1；所述IrO₂-MnO₂层占正极导电板的负载量为3~5 W.t.%。

2.如权利要求1 所述的粒子群电极吸附耦合电催化氧化处理含苯废气的装置，其特征在于：所述筒体（1）靠进气口（2）的一端设有气体分布器（7）；所述筒体（1）靠出气口（3）的一端设有除雾器（8）；所述筒体外壁上分布有水冷却夹套（9），所述水冷却夹套的两端分别设有冷却水入口（10）和冷却水出口（11）。

3.如权利要求1所述的粒子群电极吸附耦合电催化氧化处理含苯废气的装置，其特征在于：所述中间层为SnO₂-Ta₂O₅ 层；所述SnO₂ 与Ta₂O₅ 的摩尔比为0.3~0.5∶1；所述SnO₂-Ta₂O₅层占正极导电板的负载量为1~2W.t.%。

4.如权利要求1 所述的粒子群电极吸附耦合电催化氧化处理含苯废气的装置，其特征在于：所述负极导电板（5）为外面包裹绝缘膜的不锈钢网。

5.如权利要求1 所述的粒子群电极吸附耦合电催化氧化处理含苯废气的装置，其特征在于：所述粒子群电极（6）包括直径为1~20mm 的活性炭颗粒与高分子绝缘材料。

6.如权利要求5所述的粒子群电极吸附耦合电催化氧化处理含苯废气的装置，其特征在于：所述活性炭为改性活性炭；具体改性过程为：将原始活性炭放入温度为110℃的恒温干燥箱24h 后取出，在干燥器中冷却备用，同时将叔丁基二甲基氯硅烷和环己烷按照体积比1∶1~2 配成混和溶液，将经过恒温干燥的原始活性炭浸入混和溶液24~48h，取出后放入密闭容器中，减压至0.1MPa 的真空状态，加热活性炭至100℃，以氮气作为保护气，冷却至室温，即制得改性活性炭。

7.如权利要求5所述的粒子群电极吸附耦合电催化氧化处理含苯废气的装置，其特征在于：所述高分子绝缘材料占粒子群电极的填充体积比为5%~15%；所述高分子绝缘材料为软质聚氯乙烯、酚醛层压塑料、醋酸纤维素塑料、氯乙烯-丙烯共聚物、氯化氯乙烯、玻璃纤维增强尼龙中的一种或多种。

8.如权利要求1 所述的粒子群电极吸附耦合电催化氧化处理含苯废气的装置，其特征在于：所述电解反应器采用直流或脉冲供电，供电电压为1~30V，电流密度为50~1000A/m²。