CN104874241A - 一种基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置及净化方法 - Google Patents

一种基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置及净化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置，该装置包括：箱体，在所述箱体上开设有透明玻璃窗口；设置在箱体内的除尘袋，所述除尘袋包括除尘滤布一和包覆在所述除尘滤布一内部的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡；和喷淋构件；本发明提供的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置主要应用于燃煤锅炉烟气净化系统，可安装于脱硫装置之后，在已有烟气净化装置对烟气中的颗粒物和SO2、NOx进行初步过滤和清除的基础上对烟气中剩余的少量细小颗粒物、SO2、NOx及细小颗粒物上附着的重金属元素进行进一步清除，对降低燃煤锅炉污染物排放，改善环境状况具有重要意义。

Description

一种基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置及净化方法
技术领域
本发明涉及燃煤锅炉烟气净化装置及净化方法，具体涉及一种基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置及净化方法。
背景技术
我国是煤炭生产和消费大国，煤主要用作动力燃料和发电。煤燃烧过程中生成SO2、NOx并产生大量粉尘，这些污染物给自然环境和人体健康带来了很大危害，其中的SO2和NOx在直接危害自然环境和人体健康的同时，还与大气发生化学反应生成二次颗粒物，这些二次颗粒物和煤燃烧直接产生的有机炭、炭黑、粉尘等一次颗粒物是目前严重影响我国空气质量的首要污染物PM2.5的重要组成部分。
现有的燃煤锅炉烟气净化系统主要包括除尘装置和脱硫脱硝装置，煤燃烧产生的烟气依次通过除尘装置去除绝大部分粉尘、脱硝装置去除NOx和脱硫装置去除SO2后经烟气换热器升温，最后排放至大气中。而现有的脱硫脱硝装置对污染物的清除能力有限，普遍应用的湿法脱硫装置对SO2的去除效率约为95％～98％，选择性催化还原脱硝装置对NOx的去除效率约为80％～90％，经脱硫脱硝装置处理后的烟气中仍然含有少量未被除去的SO2和NOx；此外，现有的除尘装置对细小颗粒物的去除能力较低，且烟气通过脱硫装置时，脱硫过程中产生大量二次颗粒物，由于现有脱硫装置中吸收塔上部除雾器除雾能力及效果的限制，不能将这些二次颗粒物完全去除，造成排出烟气中 的颗粒物尤其是PM2.5含量增加。
作为一种新型材料，TiO2/MWNTs复合物在气体、液体净化中具有广阔应用前景。TiO2/MWNTs复合物为TiO2(二氧化钛)包覆于MWNTs(多壁碳纳米管)表面所形成的复合材料，其兼具TiO2光催化氧化降解多种有机污染物活性和MWNTs高强度、高韧性、耐热、耐腐蚀性以及对无机重金属一定的吸附能力等多重特点，现有研究中采用静电纺丝技术将TiO2/MWNTs复合物制备成TiO2/MWNTs复合物纳米纤维，该纤维直径约为30～100nm，研究表明该纤维具有比单独TiO2更强的光催化氧化活性，该纤维相互交叉所构成的网状纤维薄膜的孔径在4.9nm左右(Hu G,Meng X,Feng X,et al.Anatase TiO2nanoparticles/carbon nanotubes nanofibers:preparation,characterization and photocatalytic properties[J].Journal of Materials Science,2007,42(17):7162-7170)。此外，CN1562440A已公开一种纳米/亚微米电纺丝基过滤材料的制备方法，将采用静电纺丝技术制备的纳米纤维丝附着于习用的过滤材料上，结合成新型纳米电纺丝基过滤材料，该过滤材料对直径为2μm的颗粒物具有很高的过滤效率。然而，目前上述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维及新型纳米电纺丝基过滤材料仅限于理论研究，并无将其用于气体或液体净化的先例，尤其是用于燃煤锅炉烟气净化处理系统中，目前仍无相关实例。
由于上述问题的存在，本发明人对现有的燃煤锅炉烟气净化系统进行研究，以便制作出进一步去除烟气中细小颗粒物、SO2、NOx及细小颗粒物上附着的重金属元素的一种基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置。
发明内容
为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现：可以将采用静电纺丝技术制备的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维附着于除尘滤布二上，制成TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡，使其具有较强的光催化氧化活性的同时又对细小颗粒物具有较高的过滤效率；将多层所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡并列放置，以增强其过滤及催化氧化清除污染物效果；在所述多层TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的外部包覆除尘滤布一，对烟气内剩余的较大颗粒物进行过滤，同时降低烟气流速，减小对TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的损害；在基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置的箱体上开设可透过自然光的窗口，为TiO2进行光催化氧化反应清除污染物提供光源；设置淋洗构件，用水对除尘袋进行清洗，以清除光催化氧化反应产物及沉积在所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡和除尘滤布一上的细小颗粒物，防止颗粒堆积，堵塞滤网；设置多个除尘袋，使待净化气体顺次通过多个除尘袋上的除尘滤布一、TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡和除尘滤布一，达到更好的净化效果，以完成本发明。
本发明的目的在于提供以下方面：
(1)一种基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置，其特征在于，该装置包括：
箱体1，在所述箱体1上开设有窗口11，在所述窗口11处覆盖有透明玻璃；
设置在箱体1内的除尘袋，所述除尘袋包括除尘滤布一21和设置在所述除尘滤布一21内部的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡22，所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡22包括除尘滤布二和附着在所述除尘滤布二表面的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维，所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维为用TiO2/MWNTs复合物 制备而成的丝状纤维，待净化气体顺次通过多个除尘袋上的除尘滤布一21、TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡22和除尘滤布一21；和
用于清洗除尘袋的喷淋构件。
(2)根据上述(1)所述的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置，其特征在于，在所述箱体1上开设有气体入口12和气体出口13，待净化气体顺次通过气体入口12、多个除尘袋和气体出口13。
(3)根据上述(1)所述的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置，其特征在于，所述除尘袋包括起支撑作用的除尘袋笼，所述除尘袋笼使除尘滤布一21的边缘紧贴在所述箱体1的内壁上。
(4)根据上述(1)所述的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置，其特征在于，包覆在所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡22外的除尘滤布一21是具有自然光透过性的。
(5)根据上述(1)所述的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置，其特征在于，所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡22多层、并列地设置在所述除尘袋内。
(6)根据上述(5)所述的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置，其特征在于，所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡22的厚度为1～10mm。
(7)根据上述(1)所述的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置，其特征在于，所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维的直径为110～180nm。
(8)根据上述(7)所述的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置，其特征在于，所述TiO2/MWNTs复合 物纳米纤维互相交叉呈网状附着于所述除尘滤布二外表面，所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维构成的网状结构孔径为0.1～1.5μm。
(9)根据上述(1)所述的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置，其特征在于，所述喷淋构件包括喷淋管道31、进水管32、出水管33和汇流管道34，所述进水管32的一端与喷淋管道31相连通，另一端与除尘袋相连通，所述出水管33的一端与除尘袋相连通，另一端与汇流管道34相连通，喷淋水顺次通过喷淋管道31、进水管32、除尘袋、出水管33和汇流管道34；
在所述喷淋管道31上设置有调节阀35。
(10)一种基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化方法，其特征在于，该方法采用如上述(1)至(9)所述的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置。
本发明所具有的有益效果包括：
(1)本发明提供的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置主要应用于燃煤锅炉烟气净化系统，可安装于脱硫装置之后，在已有烟气净化装置对烟气中的颗粒物和SO2、NOx进行初步过滤和清除的基础上对烟气中剩余的少量细小颗粒物、SO2、NOx及细小颗粒物上附着的重金属元素进行进一步清除，对降低燃煤锅炉污染物排放，改善环境状况具有重要意义；
(2)本发明提供的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置采用TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡作为净化气体的核心材料，所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡具有表面积大、渗透性好、孔径小、孔隙的连通性好等特点，对常规过 滤材料不能有效去除的细小颗粒物，尤其是PM2.5过滤效率高，从而降低燃煤锅炉烟气中PM2.5的含量，改善空气质量，保护公众健康；
(3)本发明提供的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置采用的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡含有TiO2组分，TiO2具有很强的光催化氧化活性，在光照射下可进行催化氧化反应将烟气中的SO2、NOx及细小颗粒物上附着的重金属元素氧化为可溶于水的无机盐，进而除去，并且此反应进行迅速、高效，从而降低燃煤锅炉烟气中SO2、NOx及细小颗粒物上附着的重金属元素的含量，降低污染排放；
(4)本发明提供的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置上的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡以自然光为光源进行光催化氧化反应，节能环保，且降低使用成本；
(5)本发明提供的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置在TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的外部包覆有除尘滤布一，过滤烟气内剩余较大颗粒物的同时降低烟气流速，减小对TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的损害，防止TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡孔隙堵塞，延长使用寿命。
附图说明
图1示出根据本发明一种优选实施方式的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置纵截面结构示意图；
图2示出根据本发明一种优选实施方式的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置的除尘袋结构示意图。
附图标号说明：
1-箱体
11-窗口
12-气体入口
13-气体出口
21-除尘滤布一 
22-TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡
231-除尘袋笼上框架
232-除尘袋笼网格 
233-除尘袋笼下框架
31-喷淋管道
32-进水管
33-出水管
34-汇流管道
35-调节阀
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在根据本发明的优选实施方式中，如图1所示，提供一种基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置，该装置包括：
箱体1，在所述箱体1上开设有窗口11，在所述窗口11处覆 盖有透明玻璃；
设置在箱体1内的除尘袋，所述除尘袋包括除尘滤布一21和设置在所述除尘滤布一21内部的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡22，所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡22包括除尘滤布二和附着在所述除尘滤布二表面的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维，所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维为用TiO2/MWNTs复合物制备而成的丝状纤维，待净化气体顺次通过多个除尘袋上的除尘滤布一21、TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡22和除尘滤布一21；和
用于清洗除尘袋的喷淋构件。
所述基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置主要应用于燃煤锅炉烟气净化系统，可安装于脱硫装置之后，燃煤锅炉产生的烟气先顺次通过已有的除尘装置去除绝大部分粉尘、脱硝装置去除大部分NOx和脱硫装置去除大部分SO2，再通过本发明提供的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置进一步脱除烟气中残余的细小颗粒物(主要为PM2.5)、SO2、NOx以及细小颗粒物上附着的重金属元素，最后净化的烟气通过烟气换热器升温，排放至大气中，从而降低燃煤锅炉PM2.5、SO2、NOx等污染物排放，改善环境状况；
所述基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置适合用于烟尘含量为700mg/m3以下、SO2含量为1500mg/m3以下、NOx含量为1200mg/m3以下的燃煤锅炉烟气的净化。
在根据本发明的优选实施方式中，如图1所示，在所述箱体1上开设有窗口11，用可透过自然光且强度较高的材料密封所述窗口11，以透过自然光，保证TiO2/MWNTs复合物在充足的光照下进行催化氧化反应，清除污染物；
所述密封窗口11的材料可以是本领域中常用的钢化玻璃、 有机玻璃、聚碳酸酯塑料等等，本发明优选地选用钢化玻璃。
在根据本发明的优选实施方式中，如图1所示，在所述箱体1上开设有气体入口12和气体出口13，所述气体入口12和气体出口13位于待净化气体流通方向的两端，从而保证箱体1内气体流动畅通，气压稳定。
在根据本发明的优选实施方式中，如图1所示，在所述箱体1内沿待净化气体流通方向设置有多个除尘袋，待净化气体顺次通过多个除尘袋，经过重复多次相同的步骤清除待净化气体中含有的污染物，从而强化净化效果。
在根据本发明的优选实施方式中，待净化气体顺次通过气体入口12、多个除尘袋和气体出口13。
在根据本发明的优选实施方式中，如图2所示，所述除尘袋包括起支撑作用的除尘袋笼，所述除尘袋笼包括除尘袋笼上框架231、除尘袋笼网格232和除尘袋笼下框架233，所述除尘袋笼网格232分别与所述除尘袋笼上框架231和除尘袋笼下框架233焊接连接，共同构成笼状骨架，所述除尘袋笼上框架231与进水管32的一端相连接，所述除尘袋笼下框架233与出水管33的一端相连接；
在所述除尘袋笼外表面包覆有除尘滤布一21，在所述除尘袋笼内设置有TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡22，所述除尘袋笼支撑起除尘滤布一21和TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡22，使其以尽量大的表面积与待净化气体接触，从而增强过滤及光催化氧化清除污染物的效果，同时，所述除尘袋笼使包覆在其外部的除尘滤布一21的边缘紧贴在所述箱体1的内壁上，不留缝隙，使得待净化气体在流通途中必须通过过滤袋进行净化，从而充分清除待净化气体中含有的污染物。
所述除尘袋笼的材质为本领域中常用的刚性材料，主要包 括金属材料如铁、不锈钢和外表面进行镀锌、喷塑、喷涂有机硅等处理的金属材料等等，本发明优选地选用镀锌不锈钢。
所述除尘袋笼的形状为本领域中常用的圆形、梯形、矩形弹簧状等等，其形状主要是为了与箱体1内部的形状相匹配，本发明优选地选用矩形除尘袋笼。
在根据本发明的优选实施方式中，如图1所示，每个所述除尘袋均包括多层、并列排布的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡22，与单层TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡22相比，多层TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡22具有更强的过滤及光催化氧化能力，使得待净化气体在通过每个除尘袋时经过多层TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡22，待净化气体中含有的细小颗粒物、SO2、NOx及细小颗粒物上附着的重金属元素得到更加完全的清除，强化净化效果；
每个除尘袋上TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡22的层数为10～25层，每个除尘袋的厚度为8～35cm。
在根据本发明的优选实施方式中，如图1和图2所示，在所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡22外包覆有除尘滤布一21，可起到减小烟气流速和提前过滤较大颗粒的作用，TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡22可能存在TiO2/MWNTs复合物纳米纤维与除尘滤布二间结合不牢固及纳米纤维毡薄而强度低等问题，所述除尘滤布一21可减少过高风速和较大颗粒对纳米纤维毡的损害和堵塞，对纳米纤维毡起到一定的保护作用，延长该装置的运行周期和使用寿命，同时也便于清洗，降低清洗液体对除尘袋的冲刷损耗。
在根据本发明的优选实施方式中，所述除尘滤布一21是具有自然光透过性的过滤材料，以保证设置在其内部的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡22可接受到足够的自然光照 射，从而进行光催化氧化反应清除污染物，可以是涤纶滤布、丙纶滤布、锦纶滤布、玻璃纤维滤布等等。
在根据本发明的优选实施方式中，待净化气体通过每个除尘袋时，顺次通过除尘袋上的除尘滤布一21、多层TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡22和除尘滤布一21，从而得到净化。
在根据本发明的优选实施方式中，所述TiO2/MWNTs复合物为TiO2与MWNTs通过化学键相连接所形成的复合材料；
所述MWNTs(多壁碳纳米管)为多个碳原子通过化学键相互连接构成的管状分子，管的外径为几纳米到几十纳米，管的长度为微米级别，MWNTs具有极高的强度、极大的韧性、较好的耐热、耐腐蚀性、可编织、易加工性以及对无机重金属一定的吸附能力等特点，是制作纳米复合材料的优良组分；
所述TiO2(二氧化钛)为一种具有光催化氧化活性的氧化物，在波长小于400nm的紫外光照射下，可将多种有机物污染物氧化为无毒的产物，例如：将燃煤锅炉烟气中含有的SO2、NOx和细小颗粒物上附着的重金属元素催化氧化为水溶性产物，进而用水冲洗除去，TiO2具有反应速度快、催化活性高、深度氧化完全、可重复使用且无毒、无二次污染等诸多优点，在水净化、空气净化等领域具有广阔应用前景。
在根据本发明的优选实施方式中，采用溶胶-凝胶法制备TiO2/MWNTs复合物，选用直径为20～30nm，长度为10～20nm的MWNTs，将所述MWNTs加入70％的浓硝酸和98％的浓硫酸进行羧化处理，其中浓硝酸与浓硫酸的体积比为1.5:1～2.5:1，在80～100℃下处理20～30小时，羧化处理后的MWNTs上生成羧基，将羧化处理后的MWNTs加入6～10ml无水乙醇中，在200W，40KHz下超声3.5～4.5小时，制备成混悬液，向所述混悬液中加入0.84ml钛酸四正丁酯和2ml冰醋酸，搅拌0.2～0.5小时，继而加 入4～6ml含有1.54g聚乙烯基吡咯烷酮(分子量约为1300000)的无水乙醇溶液，搅拌4～5小时，得到含有TiO2/MWNTs复合物的均匀稳定的混悬液，其中TiO2与MWNTs通过稳定的C-O-Ti化学键相连接，TiO2与MWNTs的质量比为5.5:1～8.5:1；
在本发明所述TiO2/MWNTs复合物的制备方法中，钛酸四正丁酯作为钛源，冰醋酸作为催化剂，聚乙烯基吡咯烷酮作为基础聚合物发挥作用。
在根据本发明的优选实施方式中，采用静电纺丝技术制备TiO2/MWNTs复合物纳米纤维，将根据本发明所述TiO2/MWNTs复合物制备方法所制备的含有TiO2/MWNTs复合物的均匀稳定的混悬液用玻璃注射器载入至静电纺丝装置的钢制喷丝头中，所述钢制喷丝头的内径为0.5～0.6mm，供给30kV直流电压，启动静电纺丝装置，收集制备出的纳米纤维，将所述纳米纤维在空气中放置24～48小时，以水解除去多余的钛酸四正丁酯，然后将所述纳米纤维于500℃煅烧4～6小时，以除去聚乙烯基吡咯烷酮，从而得到直径为110～180nm的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维；
经过煅烧，在所述MWNTs的管壁外表面形成晶状的TiO2纳米颗粒，所述TiO2纳米颗粒均匀包覆于MWNTs的管壁外表面，所述TiO2纳米颗粒与MWNTs之间通过C-O-Ti化学键连接。
在根据本发明的优选实施方式中，所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维上的TiO2纳米颗粒与MWNTs之间通过C-O-Ti化学键连接，结构稳定；所述TiO2纳米颗粒均匀包覆于MWNTs的管壁外表面，性质均一；所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维的直径为110～250nm，适合用于在已有烟气净化装置基础上的燃煤锅炉烟气净化；在所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维中，TiO2与MWNTs的质量比为5.5:1～8.5:1，使得所述TiO2/MWNTs复合 物纳米纤维的光催化氧化活性、对污染物的吸附能力均较强；
所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维与TiO2相比具有更强的光催化氧化活性，光源为波长大于400nm的可见光，在自然光照射下即可进行催化氧化反应，节能环保且降低了应用成本。
在根据本发明的优选实施方式中，采用纳米电纺丝基过滤材料制备技术制备TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡22，在制备TiO2/MWNTs复合物纳米纤维之前向所述TiO2/MWNTs复合物中加入交联剂，然后载入静电纺丝装置中，按照上述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维的制备方法制备出含有交联剂的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维，继而通过丝纺机直接丝纺于除尘滤布二的表面，使得所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维互相交叉呈网状附着于所述除尘滤布二外表面，制备成TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡22，所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维构成适合用于在已有烟气净化装置基础上的燃煤锅炉烟气净化的网状结构，所述网状结构的孔径为0.1～1.5μm；
所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡22的厚度为1～10mm；
所述除尘滤布二为本领域中常用的用于气体过滤除尘的工业滤布，可以是涤纶滤布、丙纶滤布、锦纶滤布、玻璃纤维滤布等等；
所述交联剂为分子量在200～600的小分子化合物，其具有两个或多个针对特殊基团(氨基、巯基等等)的反应性末端，可与两个或多个分子分别偶联，从而使这些分子通过化学键稳定地结合在一起，在本发明中所述交联剂起到结合TiO2/MWNTs复合物纳米纤维与除尘滤布二的作用，所述交联剂应含有可与除尘滤布二上所带活性基团发生反应结合在一起的基团，所述交联剂可以是本领域常用的反丁烯二酸、二乙烯基苯、二异氰酸酯、丙三醇等等。所述TiO2/MWNTs复合物纳 米纤维毡22可有效滤除燃煤锅炉烟气中的细小颗粒物，尤其是常规过滤材料不能有效去除的PM2.5，从而降低燃煤锅炉烟气中PM2.5的含量，改善空气质量，保护公众健康。
在根据本发明的优选实施方式中，MWNTs在所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡中起多重作用：MWNTs作为TiO2的载体，可与TiO2通过C-O-Ti化学键连接，结构稳定；MWNTs可迅速转移TiO2进行光催化氧化反应所产生的电荷，促进反应进行，从而加速TiO2对污染物的净化；MWNTs本身对无机重金属及多种有机污染物具有吸附能力，与TiO2催化氧化清除污染物的作用相配合，强化净化效果；此外，MWNTs具有极高的强度、极大的韧性、较好的耐热、耐腐蚀性、可编织、易加工性，使其适合被加工制成纳米纤维毡，用于燃煤锅炉烟气净化。
在根据本发明的优选实施方式中，如图1和图2所示，在所述基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置上设置有喷淋构件，所述喷淋构件包括喷淋管道31、进水管32、出水管33和汇流管道34，所述进水管32的一端与喷淋管道31相连通，另一端与除尘袋相连通，所述出水管33的一端与除尘袋相连通，另一端与汇流管道34相连通，喷淋水顺次通过喷淋管道31、进水管32、除尘袋、出水管33和汇流管道34；
喷淋水由喷淋管道31分流进入进水管32，进而流入除尘袋，清除SO2、NOx和细小颗粒物上附着的重金属元素经催化氧化反应后生成的水溶性产物以及沉积在TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡22和除尘滤布一21上的颗粒物，防止颗粒物堆积，堵塞滤网，随后喷淋水经出水管33流出，汇流进入汇流管道34，最后排出；
在所述喷淋管道31上设置有调节阀35，用于控制喷淋水的 流量，以达到更好的清除沉积颗粒物的效果。
实施例
实施例1TiO2/MWNTs复合物的制备
采用溶胶-凝胶法制备TiO2/MWNTs复合物，选用直径为20～30nm，长度为10～20nm的MWNTs，将1g MWNTs加入4ml70％浓硝酸和2ml 98％浓硫酸的混合溶液中，在100℃下搅拌24小时，过滤得到羧化的MWNTs，将羧化的MWNTs加入10ml无水乙醇中，在200W，40KHz下超声4小时，制备成混悬液，向上述混悬液中加入0.84ml钛酸四正丁酯和2ml冰醋酸，搅拌0.3小时，然后加入6ml含有1.54g聚乙烯基吡咯烷酮(分子量约为1300000)的无水乙醇溶液，搅拌4小时，得到含有TiO2/MWNTs复合物的均匀稳定的混悬液，其中TiO2与MWNTs通过稳定的C-O-Ti化学键相连接，TiO2与MWNTs的质量比为8:1；
实施例2TiO2/MWNTs复合物纳米纤维的制备
采用静电纺丝技术制备TiO2/MWNTs复合物纳米纤维，将根据与实施例1相同方法制备的含有TiO2/MWNTs复合物的混悬液用玻璃注射器载入至静电纺丝装置的钢制喷丝头中，所述钢制喷丝头的内径为0.5mm，供给30kV直流电压，启动静电纺丝装置，收集制备出的纳米纤维，将所述纳米纤维在空气中放置36小时，然后于500℃煅烧5小时，得到直径为110～180nm的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维。
实施例3TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的制备
向100g实施例1中制备的含有TiO2/MWNTs复合物的混悬液中加入15g反丁二烯酸，混合均匀，按照实施例2所述方法载入静电纺丝装置中，制备出含有交联剂的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维，选择丙纶滤布作为除尘滤布二，将所述含有交联剂的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维通过丝纺机直接丝纺于丙纶 滤布的表面，使得所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维互相交叉呈网状附着于所述丙纶滤布外表面，得到厚度为7mm的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡，所述网状结构的孔径为0.2～1.0μm。
实验例
实验例1
25吨/时燃煤锅炉，配备有袋式除尘装置、选择性催化还原脱硝装置和湿法脱硫装置，正常工作状态下产生的烟气顺次通过上述装置后排出，排出的烟气中含有烟尘557mg/m3、SO21312mg/m3、NOx 1058mg/m3，将本发明提供的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置安装于湿法脱硫装置之后，在所述基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置中设置有20个除尘袋，共包括240层采用与实施例3相同方法制备的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡，初步净化的烟气通过所述基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置进一步净化，在气体出口13处取样检测烟气中的污染物含量，结果显示：烟气中含有烟尘115mg/m3、SO2566mg/m3、NOx430mg/m3。
实验例2
45吨/时燃煤锅炉，配备有袋式除尘装置、选择性催化还原脱硝装置和湿法脱硫装置，正常工作状态下产生的烟气顺次通过上述装置后排出，排出的烟气中含有烟尘699mg/m3、SO21433mg/m3、NOx 1149mg/m3，将本发明提供的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置安装于湿法脱硫装置之后，在所述基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置中设置有30个除尘袋，共包括360层采用与实施例3相同方法制备的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡，初步净化的 烟气通过所述基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置进一步净化，在气体出口13处取样检测烟气中的污染物含量，结果显示：烟气中含有烟尘157mg/m3、SO2601mg/m3、NOx429mg/m3。
对比实验例
对比实验例1
采用与实验例1中完全相同的25吨/时燃煤锅炉及袋式除尘装置、选择性催化还原脱硝装置和湿法脱硫装置，区别在于，将实验例1中基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置上的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡替换为大小、形状完全相同且厚度相近的丙纶滤布，共设置有20个除尘袋，共包括240层丙纶滤布，在气体出口13处取样检测烟气中的污染物含量，结果显示：烟气中含有烟尘429mg/m3、SO21277mg/m3、NOx982mg/m3。
对比实验例2
采用与实验例1中完全相同的25吨/时燃煤锅炉及袋式除尘装置、选择性催化还原脱硝装置和湿法脱硫装置，区别在于，将实验例1中基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置上的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡替换为大小、形状完全相同且厚度相近但规格不同的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡，其TiO2/MWNTs复合物纳米纤维的直径为45～76nm，互相交叉成网状结构的孔径为1.7～2.5μm，本对比例中的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡采用类似于本发明所述方法制备而成，其与本发明中公开的制备方法的区别仅在于选用直径为10～20nm，长度为5～15nm的MWNTs为原料，且在制备TiO2/MWNTs复合物纳米纤维时，选用内径为0.4mm的钢制喷丝头，共设置有20个除尘袋，共包括240层采用与实施例3相同 方法制备的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡，在气体出口13处取样检测烟气中的污染物含量，结果显示：烟气中含有烟尘344mg/m3、SO2792mg/m3、NOx520mg/m3。
对比实验例3
采用与实验例2中完全相同的45吨/时燃煤锅炉及袋式除尘装置、选择性催化还原脱硝装置和湿法脱硫装置，区别在于，将实验例2中基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置上的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡替换为大小、形状完全相同且厚度相近的丙纶滤布，共设置有30个除尘袋，共包括360层丙纶滤布，在气体出口13处取样检测烟气中的污染物含量，结果显示：烟气中含有烟尘508mg/m3、SO21290mg/m3、NOx1024mg/m3。
对比实验例4
采用与实验例2中完全相同的45吨/时燃煤锅炉及袋式除尘装置、选择性催化还原脱硝装置和湿法脱硫装置，区别在于，将实验例2中基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置上的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡替换为大小、形状完全相同且厚度相近但规格不同的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡，其TiO2/MWNTs复合物纳米纤维的直径为45～76nm，互相交叉成网状结构的孔径为1.7～2.5μm，本对比例中的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡采用类似于本发明所述方法制备而成，其与本发明中公开的制备方法的区别仅在于选用直径为10～20nm，长度为5～15nm的MWNTs为原料，且在制备TiO2/MWNTs复合物纳米纤维时，选用内径为0.4mm的钢制喷丝头，共设置有30个除尘袋，共包括360层采用与实施例3相同方法制备的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡，在气体出口13处取样检测烟气中的污染物含量，结果显示：烟气中含有烟尘425 mg/m3、SO2851mg/m3、NOx604mg/m3。
对比实验例5
采用与实验例1中完全相同的25吨/时燃煤锅炉及袋式除尘装置、选择性催化还原脱硝装置和湿法脱硫装置，区别在于，将实验例1中基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置上的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡替换为大小、形状完全相同且厚度相近的但不含TiO2成分的MWNTs纳米纤维毡，所述MWNTs纳米纤维毡的网格孔径、纤维直径及其它特征均与实验例1中的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡相似，本对比例中的MWNTs纳米纤维毡采用类似于实施例3所述方法制备而成，其与实施例3中公开的制备方法的区别仅在于不加入作为钛源的钛酸四正丁酯，在气体出口13处取样检测烟气中的污染物含量，结果显示：烟气中含有烟尘143mg/m3、SO21205mg/m3、NOx1033mg/m3。
本发明所具有的有益效果包括：
(1)本发明提供的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置主要应用于燃煤锅炉烟气净化系统，可安装于脱硫装置之后，在已有烟气净化装置对烟气中的颗粒物和SO2、NOx进行初步过滤和清除的基础上对烟气中剩余的少量细小颗粒物、SO2、NOx及细小颗粒物上附着的重金属元素进行进一步清除，对降低燃煤锅炉污染物排放，改善环境状况具有重要意义；
(2)本发明提供的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置采用TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡作为净化气体的核心材料，所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡具有表面积大、渗透性好、孔径小、孔隙的连通性好等特点，对常规过 滤材料不能有效去除的细小颗粒物，尤其是PM2.5过滤效率高，从而降低燃煤锅炉烟气中PM2.5的含量，改善空气质量，保护公众健康；
(3)本发明提供的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置采用的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡含有TiO2组分，TiO2具有很强的光催化氧化活性，在光照射下可进行催化氧化反应将烟气中的SO2、NOx及细小颗粒物上附着的重金属元素氧化为可溶于水的无机盐，进而除去，并且此反应进行迅速、高效，从而降低燃煤锅炉烟气中SO2、NOx及细小颗粒物上附着的重金属元素的含量，降低污染排放；
(4)本发明提供的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置上的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡以自然光为光源进行光催化氧化反应，节能环保，且降低使用成本；
(5)本发明提供的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置在TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的外部包覆有除尘滤布一，过滤烟气内剩余较大颗粒物的同时降低烟气流速，减小对TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的损害，防止TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡孔隙堵塞，延长使用寿命。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上结合优选实施方式和范例行实例对本发明进行了详细说明。不过需要声明的是，这些具体实施方式仅是对本发明的阐述性解释，并不对本发明的保护范围构成任何限制。在不超出本发明精神和保护范围的情况下，可以对本发明技术内容及 其实施方式进行各种改进、等价替换或修饰，这些均落入本发明的保护范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置，其特征在于，该装置包括：
箱体(1)，在所述箱体(1)上开设有窗口(11)，在所述窗口(11)处覆盖有透明玻璃；
设置在箱体(1)内的除尘袋，所述除尘袋包括除尘滤布一(21)和设置在所述除尘滤布一(21)内部的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡(22)，所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡(22)包括除尘滤布二和附着在所述除尘滤布二表面的TiO2/MWNTs复合物纳米纤维，所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维为用TiO2/MWNTs复合物制备而成的丝状纤维，待净化气体顺次通过多个除尘袋上的除尘滤布一(21)、TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡(22)和除尘滤布一(21)；
和
用于清洗除尘袋的喷淋构件。
2.根据权利要求1所述的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置，其特征在于，在所述箱体(1)上开设有气体入口(12)和气体出口(13)，待净化气体顺次通过气体入口(12)、多个除尘袋和气体出口(13)。
3.根据权利要求1所述的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置，其特征在于，所述除尘袋包括起支撑作用的除尘袋笼，所述除尘袋笼使除尘滤布一(21)的边缘紧贴在所述箱体(1)的内壁上。
4.根据权利要求1所述的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置，其特征在于，包覆在所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡(22)外的除尘滤布一(21)是具有自然光透过性的。
5.根据权利要求1所述的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置，其特征在于，所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡(22)多层、并列地设置在所述除尘袋内。
6.根据权利要求5所述的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置，其特征在于，所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡(22)的厚度为1～10mm。
7.根据权利要求1所述的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置，其特征在于，所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维的直径为110～180nm。
8.根据权利要求7所述的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置，其特征在于，所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维互相交叉呈网状附着于所述除尘滤布二外表面，所述TiO2/MWNTs复合物纳米纤维构成的网状结构孔径为0.1～1.5μm。
9.根据权利要求1所述的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置，其特征在于，所述喷淋构件包括喷淋管道(31)、进水管(32)、出水管(33)和汇流管道(34)，所述进水管(32)的一端与喷淋管道(31)相连通，另一端与除尘袋相连通，所述出水管(33)的一端与除尘袋相连通，另一端与汇流管道(34)相连通，喷淋水顺次通过喷淋管道(31)、进水管(32)、除尘袋、出水管(33)和汇流管道(34)；
在所述喷淋管道(31)上设置有调节阀(35)。
10.一种基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化方法，其特征在于，该方法采用如上述权利要求1至9所述的基于TiO2/MWNTs复合物纳米纤维毡的气体净化装置。
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