CN105080302A - 一种紫外光-等离子体协同降解有机废气装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种紫外光-等离子体协同降解有机废气装置及其方法，装置外壳为密闭结构的箱体，内表面为反光材料，可最大化利用紫外光并防止紫外光泄露；双介质阻挡放电等离子体单元由双介质阻挡放电等离子体反应器和高压脉冲电源组成，双介质阻挡放电等离子体反应器采用双介质的结构，可有效保护放电电极不被有机废气污染，从而大大提高持续运行时间；高压脉冲电源采用纳秒级高压脉冲电源，有效避免了直流电晕加速离子而带来的能量损耗；紫外光发生单元提供紫外光，促进双介质阻挡放电等离子体降解有机废气。本发明在双介质阻挡放电等离子体中引入紫外光，在没有光催化剂的存在下，即可有效地促进有机废气降解，大大提高降解率，节省了成本。

Description

一种紫外光-等离子体协同降解有机废气装置及其方法

技术领域

本发明属于废气处理领域，具体涉及一种紫外光-等离子体协同降解有机废气装置及其方法。

背景技术

随着我国工业的迅速发展，石油化工、化工制品、喷涂、交通等行业向大气排放了大量的挥发性有机废气（VolatileOrganicCompounds，VOCs），它们是城市及周边地区光化学烟雾和雾霾形成的主要原因。据估算，若不加以控制，2020年我国的VOCs排放将达到1800多万吨。随着生活水平的提高，人们对生活环境的要求越来越高，日益严重的环境破坏已经成为居民投诉的焦点。为此，国家不断颁布法律法规来控制VOCs的排放，各省也不断颁布地方性规范来约束相关行业的VOCs排放量。寻求一种高效率、低能耗的处理技术来控制VOCs的排放刻不容缓。

常用的VOCs处理方法有：吸附法、吸收法、冷凝法、膜分离法、热力焚烧法、催化燃烧法、生物降解法、低温等离子体法（Non-ThermalPlasma，NTP）和光催化法等。吸附法和吸收法仍然是工业上控制VOCs排放量最常用的处理工艺之一。活性炭吸附法中，虽然达到饱和吸附前具有良好的去除VOCs效果，但是该方法不适合于高浓度的VOCs、活性炭再生方面也比较困难。而吸收法虽然操作简单、成本低、可去除范围广，但对于操作条件的要求比较高，需要低温高压的条件，对设备要求比较高，设备容易腐蚀，并且需要经常更换吸收剂。

低温等离子体技术是在高压条件下令电极周围气体电离，产生强氧化性的·O、·OH等自由基，VOCs分子在高能粒子的碰撞下形成小的基团和原子，与强氧化自由基及其他活性物质作用被除去。NTP技术存在着可降解浓度范围大、降解效率高的优点，也存在着易产生二次污染、能耗高、能量效率低等问题。光催化技术是在一定波长光照下，利用催化剂的光催化活性，使吸附在表面的VOCs发生氧化还原反应，将有机物氧化成CO₂和H₂O及其他无机小分子物质。光催化技术具有应用范围广、操作简单等优点，但是也存在着紫外光利用率低、光催化剂易失活的缺点。

低温等离子体技术和光催化技术协同降解VOCs是人们正在研究的一个方向。利用二者的协同可以一定程度上解决二者存在的问题，但仍然存在能耗高、低电压下降解率不高、光催化剂易失活等问题。寻求一种能够解决上述问题的处理技术，对于VOCs降解技术的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种紫外光-等离子体协同降解有机废气装置及其方法。具体技术方案如下：

一种紫外光-等离子体协同降解有机废气装置，装置设有外壳，外壳内设有双介质阻挡放电等离子体单元和紫外光发生单元；

外壳为密闭结构，内表面为反光材料；

双介质阻挡放电等离子体单元包括双介质阻挡放电等离子体反应器和高压脉冲电源，所述的双介质阻挡放电等离子体反应器为筒状的双介质结构，轴心为金属丝，外侧依次环绕有内介质层、外介质层，金属网包裹在外介质层的外壁，金属丝和金属网分别与高压脉冲电源的高电压端和低电压端相连；双介质阻挡放电等离子体反应器两端由抗腐蚀开孔塞密闭，且两端的抗腐蚀开孔塞上分别设有进气口和出气口；

紫外光发生单元包括若干条紫外灯管和与其相连的镇流器、紫外灯电源，紫外灯管均设置于双介质阻挡放电等离子体单元与外壳之间的空腔内。

作为优选，所述的外壳材质为金属，并通过接地线接地；外壳内表面光滑，用于反射紫外光。

作为优选，所述的外壳呈长方体状，所述的紫外灯管有2条，分别设在外壳对角的两条棱边处且与双介质阻挡放电等离子体反应器平行。

作为优选，所述的内介质层、外介质层均为圆筒状石英管，所述的金属丝采用铜丝，所述的金属网采用不锈钢网或均匀的金属片。

作为优选，所述的高压脉冲电源的两极连接有示波器。

作为优选，所述的高压脉冲电源为纳秒级高压脉冲电源。

作为优选，所述的紫外灯管波长为185~245nm。

一种使用所述装置的紫外光-等离子体协同降解有机废气的方法，包括如下步骤：

1)将待处理的废气通过进气口通入双介质阻挡放电等离子体反应器的内部；

2)外加电压条件下，等离子体管内气体电离，产生强氧化性的活性物质，用于降解有机废气中的有机化合物；同时，利用紫外灯管产生的紫外光直接作用或通过外壳内表面反射作用于双介质阻挡放电等离子体反应器，用于促进强氧化性的活性物质产生；

3)处理后的废气通过出气口排出。

作为优选，废气在双介质阻挡放电等离子体反应器内的停留时间为2~8s。

作为优选，所述的步骤2)中外加电压通过高压脉冲电源调节至30~40kV。

本发明的有益效果在于：

（1）利用紫外光促进双介质阻挡放电等离子体降解VOCs，提高降解过程中臭氧浓度，无需添加光催化剂，在相对低电压下达到更高的VOCs降解率，并且能够提高CO₂浓度，减少二次污染；

（2）外壳采用光滑内表面的反光材料且密闭，能够最大的利用紫外光，减少紫外光的浪费，并对紫外光进行有效控制，防止对人体造成伤害；

（3）低温等离子体采用双介质阻挡放电，防止降解产生的物质对于电极的污染，减少降解过程中等离子体反应器电极的清洗频率；

（4）紫外灯管的排列方式分别置于等离子体反应器的两侧，并且置于箱体对角的棱边的部位，能够保证紫外光更多的反射到等离子体反应器上，提高利用率。

附图说明

图1为紫外光-等离子体协同降解有机废气装置结构示意图；

图2为实施例1和对比例1用于单独降解二甲苯废气的二甲苯降解率对比图；

图3为实施例1和对比例1用于单独降解二甲苯废气出口气体CO_X浓度对比图；

图4为紫外光单独降解二甲苯废气的进出口气体二甲苯浓度图。

图中：抗腐蚀开孔塞1、进气口2、出气口3、外介质层4、紫外灯电源5、镇流器6、导线7、灯管支架8、紫外灯管9、金属外壳10、金属丝11、内介质层12、高压脉冲电源13、金属网14、示波器15和接地线16。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明：

如图1所示，一种紫外光-等离子体协同降解有机废气装置，装置设有外壳10，外壳10内设有双介质阻挡放电等离子体单元和紫外光发生单元；

外壳10为密闭结构，内表面为反光材料。反光材料用于反射紫外光，提高紫外光的利用率。

双介质阻挡放电等离子体单元包括双介质阻挡放电等离子体反应器和高压脉冲电源13，所述的双介质阻挡放电等离子体反应器为筒状的双介质结构，轴心为金属丝11，外侧依次环绕有内介质层12、外介质层4，金属网14包裹在外介质层的外壁，金属丝11和金属网14分别与高压脉冲电源13的高电压端和低电压端相连；双介质阻挡放电等离子体反应器两端由抗腐蚀开孔塞1密闭，且两端的抗腐蚀开孔塞1上分别设有进气口2和出气口3。废气通过进气口2进入密闭的双介质阻挡放电等离子体反应器内部，处理完毕后通过出气口3排出，形成一条废气流通通道。抗腐蚀开孔塞可选用橡胶材料，如丁苯橡胶。

紫外光发生单元包括若干条紫外灯管9，紫外灯管9通过导线7和镇流器6、紫外灯电源5，紫外灯管9均设置于双介质阻挡放电等离子体单元与外壳10之间的空腔内。紫外灯管9数量至少为1条，均依次与镇流器6、紫外灯电源5相连，通过紫外灯电源的断开和闭合控制紫外光的产生。当有2条以上时，紫外灯管9分布在双介质阻挡放电等离子体反应器的上、下方，保证双介质阻挡放电等离子体反应器充分接收紫外光。

作为一种优选实施方式，所述的外壳10材质为金属，并通过接地线16接地；外壳10内表面打磨光滑，使之具有镜面反射效果，用于反射紫外光，以提高紫外光的利用率及装置的处理效率。外壳10内壁上带有灯管支架8，用于固定紫外灯管9。

为保证紫外光在金属外壳箱体内充分更多反射到等离子体上，作为一种优选实施方式，所述的外壳10呈长方体状，内表面光滑，反光效果好；所述的紫外灯管9有2条，分别设在外壳10对角的两条棱边处，与外壳保持一定距离（即设置在长方体两个相对的由侧面所形成的夹角处）且与双介质阻挡放电等离子体反应器平行。通过内表面的反射作用，使两条灯管产生的紫外光能充分的直接或间接照射到等离子体上。

作为一种优选实施方式，所述的内介质层12、外介质层4均为圆筒状石英管，所述的金属丝11采用铜丝，所述的金属网14采用不锈钢网或均匀的金属片。

作为一种优选实施方式，所述的高压脉冲电源13的两极连接有示波器15，用于反映两电极间的电压，便于调节。

作为一种优选实施方式，所述的高压脉冲电源13为纳秒级高压脉冲电源，其作用为通过陡前沿、窄脉宽（纳秒级）的高压脉冲为双介质阻挡放电等离子体反应器供能。在此条件下，电子被加速成为高能电子，而其他质量较大的离子由于惯性大来不及加速而基本保持静止，从而避免了直流电晕加速离子而带来的能量损耗。

作为一种优选实施方式，所述的紫外灯管9波长为185~245nm，该波长段下有机物降解效果较好，优选为185nm和245nm。

一种使用所述装置的紫外光-等离子体协同降解有机废气的方法，包括如下步骤：

1）将待处理的废气通过进气口2通入双介质阻挡放电等离子体反应器的内部。

2）参照示波器的示数利用调压变压器调节高压脉冲电源的电压，等离子体管在外加电压条件下，等离子体管内气体电离，产生强氧化性的活性物质，用于降解有机废气中的有机化合物；强氧化性活性物质为包括·O、·OH的自由基及O₃。与此同时，利用紫外灯管9产生的紫外光直接作用或通过外壳10内表面反射作用于双介质阻挡放电等离子体反应器，用于促进强氧化性的活性物质产生。紫外光强度通过控制紫外灯管9的开关数量进行调节。

3）处理后的废气经过检测设备检测合格后，通过出气口3向大气排放。

作为一种优选实施方式，废气在双介质阻挡放电等离子体反应器内的停留时间为2~8s，废气停留时间通过质量流量计调节气体流量进行控制。

作为一种优选实施方式，所述的步骤2）中外加电压范围为30~40kV，外加电压通过高压脉冲电源13进行调节。

实施例1

如图1所示，一种紫外光-等离子体协同降解有机废气装置：包括金属外壳10、双介质阻挡放电等离子体单元和紫外光发生单元。金属外壳10内壁上带有支撑结构8用以支撑紫外灯管9，金属外壳10通过接地线16接地。紫外光发生单元主要包括：紫外灯电源5、镇流器6、导线7、紫外灯管9。紫外灯管9以灯管支架8固定在石英管4两侧，用导线7连接紫外灯管9、紫外光灯电源5和镇流器6；双介质阻挡放电等离子体单元主要包括：抗腐蚀开孔塞1、进气口2、出气口3、外介质层4、金属丝11、内介质层12、金属网14、高压脉冲电源13、示波器15。抗腐蚀开孔塞1、进气口2、出气口3、金属丝11、内介质层12、均匀的金属网14组成双介质阻挡放电等离子体反应器，抗腐蚀开孔塞1密封等离子体反应器的两端，进气口2和出气口3形成废气流通通道。金属丝11和金属网14分别连接高压脉冲电源的高压端和低压端，示波器15连接高压脉冲电源的高压端和低压端。其他部分的结构和连接方式均按照前述的具体实施方式以及所有优选实施方式进行设置。

装置的部分参数如下：高压脉冲电源13为BPFN型窄脉冲高压电源，脉冲宽度500ns，脉冲上升前沿小于250ns、频率控制为300pps。紫外灯电源为220V常压电源。

内介质层和外介质层采用石英材料，抗腐蚀开孔塞为丁苯橡胶材质，金属丝为铜丝，金属网和金属外壳都是不锈钢制成的。金属外壳尺寸为360mm×200mm×200mm，金属网长度为240mm。紫外灯管数量为两根，对角设置，波长为254nm。

外介质层内径为25mm，厚度为2.5mm；内介质层外径为8mm，厚度为2.5mm；等离子体反应器长度为360mm，铜丝直径为1mm。

本装置的实际使用过程为：

配置模拟有机废气，主要污染物为二甲苯，浓度为45mg/m³，流量为200mL/min，干燥。模拟有机废气从进气口2进入装置后，调节纳秒级高压脉冲电源电压为35kV，闭合紫外灯电源，在紫外光和双介质阻挡放电等离子体的协同作用下，二甲苯经过一系列的反应，被分解为危害较小的H₂O、CO₂等小分子物质，然后从出气口3排出。

对比例1：

装置与实施例1相同，不同之处在于：

紫外光发生单元电源断开，金属外壳内无紫外光。

对比例2：

装置与实施例1相同，不同之处在于：高压脉冲电源断开，即双介质阻挡放电等离子体反应器不工作。

实施例1和对比例1结果对比如图2、图3所示。图2为实施例1和对比例1用于单独降解二甲苯废气的二甲苯降解率对比图，图3为实施例1和对比例1用于单独降解二甲苯废气出口气体CO_X浓度对比图。其中图2、图3中，紫外光+DDBD代表实施例1的处理方式，DDBD代表对比例1的处理方式，在添加紫外光的条件下，双介质阻挡放电能够明显提高二甲苯降解率，降低降解过程所需要的电压，并且能够提高CO_X浓度。对比例2的进气口、出气口二甲苯浓度结果如图4所示，整个过程二甲苯浓度基本不变，说明仅有紫外光的存在下，装置对二甲苯无降解作用。由此可见，本发明的紫外光-等离子体协同降解有机废气装置及其方法对有机废气具有极佳的处理能力，紫外光作用于双介质阻挡放电等离子体反应器促进了强氧化性的活性物质产生。本发明在双介质阻挡放电等离子体中引入紫外光，在没有光催化剂的存在下，即可有效地促进有机废气降解，大大提高降解率，节省了成本。

Claims (10)

1.一种紫外光-等离子体协同降解有机废气装置，其特征在于，装置设有外壳（10），外壳（10）内设有双介质阻挡放电等离子体单元和紫外光发生单元；

外壳（10）为密闭结构，内表面为反光材料；

双介质阻挡放电等离子体单元包括双介质阻挡放电等离子体反应器和高压脉冲电源（13），所述的双介质阻挡放电等离子体反应器为筒状的双介质结构，轴心为金属丝（11），外侧依次环绕有内介质层（12）、外介质层（4），金属网（14）包裹在外介质层的外壁，金属丝（11）和金属网（14）分别与高压脉冲电源（13）的高电压端和低电压端相连；双介质阻挡放电等离子体反应器两端由抗腐蚀开孔塞（1）密闭，且两端的抗腐蚀开孔塞（1）上分别设有进气口（2）和出气口（3）；

紫外光发生单元包括若干条紫外灯管（9）和与其相连的镇流器（6）、紫外灯电源（5），紫外灯管（9）均设置于双介质阻挡放电等离子体单元与外壳（10）之间的空腔内。

2.如权利要求1所述的紫外光-等离子体协同降解有机废气装置，其特征在于，所述的外壳（10）材质为金属，并通过接地线（16）接地；外壳（10）内表面光滑，用于反射紫外光。

3.如权利要求1所述的紫外光-等离子体协同降解有机废气装置，其特征在于，所述的外壳（10）呈长方体状，所述的紫外灯管（9）有2条，分别设在外壳（10）对角的两条棱边处且与双介质阻挡放电等离子体反应器平行。

4.如权利要求1所述的紫外光-等离子体协同降解有机废气装置，其特征在于，所述的内介质层（12）、外介质层（4）均为圆筒状石英管，所述的金属丝（11）采用铜丝，所述的金属网（14）采用不锈钢网或均匀的金属片。

5.如权利要求1所述的紫外光-等离子体协同降解有机废气装置，其特征在于，所述的高压脉冲电源（13）的两极连接有示波器（15）。

6.如权利要求1所述的紫外光-等离子体协同降解有机废气装置，其特征在于，所述的高压脉冲电源（13）为纳秒级高压脉冲电源。

7.如权利要求1所述的紫外光-等离子体协同降解有机废气装置，其特征在于，所述的紫外灯管（9）波长为185~245nm。

8.一种使用如权利要求1所述装置的紫外光-等离子体协同降解有机废气的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）将待处理的废气通过进气口（2）通入双介质阻挡放电等离子体反应器的内部；

2）外加电压条件下，等离子体管内气体电离，产生强氧化性的活性物质，用于降解有机废气中的有机化合物；同时，利用紫外灯管（9）产生的紫外光直接作用或通过外壳（10）内表面反射作用于双介质阻挡放电等离子体反应器，用于促进强氧化性的活性物质产生；

3）处理后的废气通过出气口（3）排出。

9.如权利要求8所述的紫外光-等离子体协同降解有机废气的方法，其特征在于，废气在双介质阻挡放电等离子体反应器内的停留时间为2~8s。

10.如权利要求8所述的紫外光-等离子体协同降解有机废气的方法，其特征在于，所述的步骤2）中外加电压通过高压脉冲电源（13）调节至30~40kV。