CN107308779A - 一种兼具吸附和降解功能的土壤修复尾气净化工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种兼具吸附和降解功能的土壤修复尾气净化工艺，包括以下步骤：物理吸附；光催化降解：采用液相热喷涂方法在基体上制备纳米结构TiO2涂层，将空气中污染物直接分解成二氧化碳和水，同时破坏细菌的细胞壁，杀灭细菌并分解其丝网菌体，从而将尾气中的绝大部分污染物去除，实现对多种污染性气体的有效净化；[WW1]，利用气体监测手段，实现对气体质量的实时监控，调整物理吸附参数和光催化降解参数。本发明所述的兼具吸附和降解功能的土壤修复尾气净化工艺，综合物理吸附和光催化降解多种空气净化技术的优势，尾气净化的效果显著，其核心部件中的纳米结构TiO2涂层采用液相热喷涂方法制备，实现对多种污染性气体的有效净化。

Description

一种兼具吸附和降解功能的土壤修复尾气净化工艺
技术领域
本发明涉及土壤修复尾气净化领域，尤其涉及一种兼具吸附和降解功能的土壤修复尾气净化工艺。
背景技术
近年来，世界土壤污染问题日益凸现，尤其在发展中国家，对生态环境、食品安全和人体健康构成严重威胁。其中，汞、镉、铅、铬和砷等重金属污染物导致的土壤污染尤为突出。根据《中国环境年鉴》（2002-2009年），2001-2008年，我国关停并转迁企业数由6611迅速增加到22488个，增速为1984个/年，总数达到10万以上，仅2007年就约有2.5万个。由于关停转迁，我国现已有大量工业场地遗址，对污染严重的工业场地遗址进行技术修复是改善土壤环境质量的迫切要求，也是世界科技的研究热点。欧美发达国家的污染场地修复产业占整个环保产业的50%以上。2011年2月，《重金属污染综合防治“十二五”规划》通过国务院正式批复，重金属污染土壤被列为主要整治内容之一，污染场地土壤修复技术必将受到更多关注。
我国土壤修复技术的研发历程分为4个阶段：（1）20世纪60年代以前，土壤治理方式为物理修复，主要通过填埋、刮土、复土等措施治理退化土地；（2）20世纪70-80年代，土壤治理方式为物理修复，主要是土地资源的稳定利用，相关基本环境工程的配套；（3）20世纪90年代，土壤治理方式为物理、化学和生物恢复，但主要修复技术是土地复垦，选用先锋植物、耐性植物恢复土壤特性；（4）21世纪以来，土壤治理方式为物理、化学和生物恢复，修复技术主要采用植物、微生物、动物、固化/稳定化、土壤气提、化学氧化还原、热脱附、淋洗、化学萃取等，其中以植物修复为研发应用重点。
我国城市工业污染场地修复具有巨大的潜在市场需求，然而目前我国针对污染场地的修复技术及工程应用刚刚起步，开发适合我国国情、费用效益好的修复技术仍然处于起步阶段。因此，应该在充分借鉴欧、美、日、德等国的成熟技术和场地修复经验的基础上，从我国场地污染特征、社会经济发展状况以及现阶段科学技术储备等多方面综合考虑修复技术的研究重点和发展方向。而上述土壤修复技术的关键在于解决修复过程中产生的尾气问题，因此，在当今提倡环境友好、低碳经济、节能减排的大环境下，兼具吸附和降解功能的土壤修复尾气净化技术是我国重点发展的方向之一，具有极大的经济和社会效益。
发明内容
本发明的目的在于提供一种兼具吸附和降解功能的土壤修复尾气净化工艺，去除尾气中的各种污染物，使最终排放的气体达到环保要求，提升工作效率，提升操作便利性和智能化。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种兼具吸附和降解功能的土壤修复尾气净化工艺，包括以下步骤：
物理吸附：建立具有物理吸附功能的离子雾化，把尾气经过离子雾化，有效去除尾气中的固体和可溶性气体污染物；
光催化降解：采用液相热喷涂方法在基体上制备纳米结构TiO2涂层，利用纳米结构TiO2涂层在紫外光的照射下受激生成“电子-空穴对”，尾气经过纳米结构TiO2涂层表面时，将空气中污染物直接分解成二氧化碳和水，同时破坏细菌的细胞壁，杀灭细菌并分解其丝网菌体，从而将尾气中的绝大部分污染物去除，实现对多种污染性气体的有效净化；
监测:利用气体监测手段，实现对气体质量的实时监控，调整物理吸附参数和光催化降解参数，从而确保最终所排放的气体达到环保要求。
其中，所述离子雾化由多个螺旋喷嘴喷出的液体构成，螺旋喷嘴安装于喷淋管上，利用喷淋水泵进行喷淋管内液体的提供，喷淋管和喷嘴的数量根据系统需处理的气体量计算得出，螺旋喷嘴的内孔直径为0.8mm-2mm。
其中，所述纳米结构TiO2涂层厚度约为10~50μm ，纳米结构TiO2涂层中TiO2为混晶型TiO2。
其中，所述混晶型TiO2包括但不限于锐钛矿相和金红石相，且锐钛矿和金红石的质量比为70/30~90/10。
其中，所述纳米结构TiO2涂层与基体之间设置有一层金属涂层作为过渡层，过渡层的厚度为100~300μm，所述基体为金属材料、陶瓷材料、有机材料以及复合材料。
其中，所述空气中污染物包括但不限于甲醛和苯。
其中，所述光催化降解步骤中，纳米结构TiO2涂层的制备包括：
纳米TiO2喷涂液料的制备：纳米TiO2喷涂液料的制备过程中去离子水和无水乙醇的体积比为1:1~5:1，TiO2粉末在液料中的质量百分比含量为2wt%~5wt%，粘结剂在液料中的质量百分比含量为0.3wt%~1.5wt%，所述粘结剂为水性聚氨酯、聚乙烯吡咯烷酮和磷酸盐系列粘结剂中的任意一种或者任意两种的混合物；
基体的清洗和表面粗化处理；
过渡层的制备：所述过渡层是Al、Zn、Ti、Ni、Fe、Co金属或其合金中的任意一种，采用热喷涂方法制备在基体的表面，所述热喷涂方法是电弧喷涂、火焰喷涂、等离子喷涂或激光喷涂中的任意一种；
过渡层表面纳米结构涂层的制备：利用火焰喷涂方法，以乙炔为燃气，氧气为助燃气，将配制好的纳米TiO2喷涂液料用压缩空气雾化后，采用枪外送料方式输送到火焰根部，并且该雾化的纳米TiO2喷涂液料的输送方向与热喷涂火焰轴向呈30°~90°夹角，助燃气、燃气和压缩空气的压力分别为0.4～0.8Mpa、0.1～0.3Mpa和0.3～0.6Mpa，流量分别为2.0~3.5Nm3/h、1.0~2.0 Nm3/h和2.0~3.5 Nm3/h，纳米TiO2喷涂液料的流量为1.5 Nm3/h ~4.5 Nm3/h，喷涂距离为150~350mm。
本发明的有益效果：
（1）综合物理吸附和光催化降解多种空气净化技术的优势，尾气净化的效果显著，其核心部件中的纳米结构TiO2涂层采用液相热喷涂方法制备，设备和工艺简单、易控，生产效率高，成本低廉，可实现工业化大规模生产；
（2）该技术利用先进的气体检测手段实现对气体质量的实时检测，保障了尾气处理的质量，同时设备的自动化程度高，便于操控，运营成本低，便于在各种环境下使用和推广，实现对多种污染性气体的有效净化。
附图说明
图1是TiO2涂层光催化原理的示意图，图中表明TiO2涂层在紫外光的照射下受激生成“电子-空穴对”，而此类“电子-空穴对”与H2O和O2相结合能生成羟基自由基（•OH）和超氧离子自由基（•O2 -），可将空气中甲醛、苯、TVOC和氨等污染物直接分解成二氧化碳和水。
具体实施方式
下面结合图1并通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。
一种兼具吸附和降解功能的土壤修复尾气净化工艺，包括以下步骤：
物理吸附：建立具有物理吸附功能的离子雾化，把尾气经过离子雾化，有效去除尾气中的固体和可溶性气体污染物；
光催化降解：采用液相热喷涂方法在基体上制备纳米结构TiO2涂层，利用纳米结构TiO2涂层在紫外光的照射下受激生成“电子-空穴对”，尾气经过纳米结构TiO2涂层表面时，将空气中污染物直接分解成二氧化碳和水，同时破坏细菌的细胞壁，杀灭细菌并分解其丝网菌体，从而将尾气中的绝大部分污染物去除，实现对多种污染性气体的有效净化；
监测:利用气体监测手段，实现对气体质量的实时监控，调整物理吸附参数和光催化降解参数，从而确保最终所排放的气体达到环保要求。
实施例1：
某垃圾堆场采用土壤气提技术进行土壤修复，所产生的尾气主要含有的污染物包括：粉尘、挥发性有机物、二噁英和苯系列有机物等。利用本发明的技术方案对排放的气体进行处理，按照以下步骤实施：
1、离子雾化采用的喷淋水泵功率0.75KW，循环流量3.6T/h，用水（补水）量1.2T/h，螺旋喷嘴压力0.3MPa，内孔直径1mm；
2、纳米结构TiO2涂层的制备过程中采用的基体材料为厚度约2mm的316L不锈钢片，TiO2涂层的厚度为40μm，该涂层中TiO2的晶相组成为锐钛矿相和金红石相，按照质量分数计，锐钛矿型占80%，涂层表面为多孔纳米结构，在基体与纳米结构TiO2涂层之间以铝涂层作为过渡层，其厚度为250μm。该涂层的具体制备方法如下：
a)将去离子水和无水乙醇按体积比4:1混合配成溶液，将市售平均粒度为20nm的TiO2纳米粉末以3wt%的比例加入上述配好的溶液中配成，磁力搅拌混合均匀，将水性聚氨酯溶液（PU）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）分别按0.7wt%和0.13wt%的比例加入上述配好的混合液中，磁力搅拌混合均匀；
b)将基体进行清洗，采用60目棕刚玉砂进行表面喷砂粗化处理，使其粗糙度达到喷涂要求，提高喷涂的涂层与基体的结合强度；
c)采用电弧喷涂方法在基体表面制备厚度约为250μm的Al涂层，控制电弧喷涂电流为200A，电压为30V，压缩空气压力为0.6MPa，喷涂距离为200mm；
d)采用火焰喷涂方法将待喷涂液料喷涂到上述Al涂层表面，得到厚度约40μm的纳米结构TiO2涂层，控制火焰喷涂枪的喷涂参数为：助燃气O2、燃气为乙炔、辅助气为压缩空气的压力分别为0.5Mpa、0.1Mpa、0.3Mpa，流量分别为3.0 Nm3/h、1.5 Nm3/h、2.0 Nm3/h，液料雾化压缩空气压力为0.4MPa，流量为3Nm3/h，喷涂距离为150mm。
经过权威部门检测，利用上述技术方案对尾气进行处理后，达到环保部的排放要求。
实施例2：
某金属矿场采用热处理技术进行土壤修复，所产生的尾气主要含有的污染物包括：粉尘、挥发性有机物、二噁英和苯系列有机物等。利用本发明的技术方案对排放的气体进行处理，按照以下步骤实施：
1、离子雾化净化采用的喷淋水泵功率0.75KW，循环流量3.6T/h，用水（补水）量1.2T/h，螺旋喷嘴压力0.3MPa，直径1mm；
2、纳米结构TiO2涂层的制备过程中采用的基体材料为厚度约2mm的316L不锈钢片，该基体表面的TiO2涂层的厚度为50μm，该涂层中TiO2的晶相组成为锐钛矿相和金红石相，按照质量分数计，锐钛矿型占90%，涂层表面为多孔纳米结构，在基体与纳米结构TiO2涂层之间以铝涂层作为过渡层，其厚度为250μm。该涂层的具体制备方法如下：
a)将去离子水和无水乙醇按体积比1:1混合配成溶液，将市售平均粒度为20nm的TiO2纳米粉末以5wt%的比例加入上述配好的溶液中配成，磁力搅拌混合均匀，将水性聚氨酯溶液（PU）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）分别按0.6wt%和0.2wt%的比例加入上述配好的混合液中，磁力搅拌混合均匀；
b)将基体进行清洗，采用60目棕刚玉砂进行表面喷砂粗化处理，使其粗糙度达到喷涂要求，提高喷涂的涂层与基体的结合强度；
c)采用火焰喷涂方法在基体表面制备厚度约为250μm的Al涂层，控制火焰喷涂枪的喷涂参数为：助燃气O2、燃气为乙炔、辅助气为压缩空气的压力分别为0.5Mpa、0.1Mpa、0.3Mpa，流量分别为4.5 Nm3/h、2.5 Nm3/h、4.5 Nm3/h，喷涂距离为100mm；
d)采用火焰喷涂方法将待喷涂液料喷涂到上述Al涂层表面，得到厚度约50μm的纳米结构TiO2涂层，控制火焰喷涂枪的喷涂参数为：助燃气O2、燃气为乙炔、辅助气为压缩空气的压力分别为0.5Mpa、0.1Mpa、0.3Mpa，流量分别为4.5 Nm3/h、2.5 Nm3/h、4.5 Nm3/h，液料雾化压缩空气压力为0.4MPa，流量为3Nm3/h，喷涂距离为120mm。
经过权威部门检测，利用上述技术方案对尾气进行处理后，达到环保部的排放要求。
实施例3：
某垃圾堆场采用土壤气提技术进行土壤修复，所产生的尾气主要含有的污染物包括：粉尘、挥发性有机物、二噁英和苯系列有机物等。利用本发明的技术方案对排放的气体进行处理，按照以下步骤实施：
1、离子雾化净化采用的喷淋水泵功率0.70KW，循环流量3.2T/h，用水（补水）量1.0T/h，螺旋喷嘴压力0.25MPa，直径0.8mm；
2、纳米结构TiO2涂层的制备过程中采用的基体材料为厚度约2mm的316L不锈钢片，该基体表面的纳米结构TiO2涂层的厚度为20μm，该涂层中TiO2的晶相组成为锐钛矿相和金红石相，按照质量分数计，锐钛矿型占70%，涂层表面为多孔纳米结构，在基体与纳米结构涂层之间以Zn涂层作为过渡层，其厚度为150μm。该涂层的具体制备方法如下：
a)将去离子水和无水乙醇按体积比1:1混合配成溶液，将市售平均粒度为20nm的TiO2纳米粉末以5wt%的比例加入上述配好的溶液中配成，磁力搅拌混合均匀，将磷酸盐系列粘结剂和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）分别按0.4wt%和1.2wt%的比例加入上述配好的混合液中，磁力搅拌混合均匀；
b)将基体进行清洗，采用60目棕刚玉砂进行表面喷砂粗化处理，使其粗糙度达到喷涂要求，提高喷涂的涂层与基体的结合强度；
c)采用电弧喷涂方法在基体表面制备厚度约为150μm的Zn涂层，控制电弧喷涂电流为200A，电压为25V，压缩空气压力为0.6MPa，喷涂距离为200mm；
d)采用火焰喷涂方法将待喷涂液料喷涂到上述Zn涂层表面，得到厚度约20μm的纳米结构TiO2涂层，控制火焰喷涂枪的喷涂参数为：助燃气O2、燃气为乙炔、辅助气为压缩空气的压力分别为0.7Mpa、0.1Mpa、0.3Mpa，流量分别为5.5 Nm3/h、3.5 Nm3/h、5.0 Nm3/h，液料雾化压缩空气压力为0.6MPa，流量为3Nm3/h，喷涂距离为180mm。
经过权威部门检测，利用上述技术方案对尾气进行处理后，达到环保部的排放要求。
实施例4：
某金属矿场采用热处理技术进行土壤修复，所产生的尾气主要含有的污染物包括：粉尘、挥发性有机物、二噁英和苯系列有机物等。利用本发明的技术方案对排放的气体进行处理，按照以下步骤实施：
1、离子雾化净化采用的喷淋水泵功率0.70KW，循环流量3.2T/h，用水（补水）量1.0T/h，螺旋喷嘴压力0.25MPa，直径0.8mm；
2、纳米结构TiO2涂层的制备过程中采用的基体材料为厚度约2mm的铝合金片，该基体表面的纳米结构TiO2涂层的厚度为30μm，该涂层中TiO2的晶相组成为锐钛矿相和金红石相，按照质量分数计，锐钛矿型占80%，涂层表面为多孔纳米结构，在基体与纳米结构涂层之间以Ni涂层作为过渡层，其厚度为100μm。该涂层的具体制备方法如下：
a)将去离子水和无水乙醇按体积比3:1混合配成溶液，将市售平均粒度为20nm的TiO2纳米粉末以3.3wt%的比例加入上述配好的溶液中配成，磁力搅拌混合均匀，将磷酸盐系列粘结剂和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）分别按0.12wt%和0.8wt%的比例加入上述配好的混合液中，磁力搅拌混合均匀；
b)将基体进行清洗，采用60目棕刚玉砂进行表面喷砂粗化处理，使其粗糙度达到喷涂要求，提高喷涂的涂层与基体的结合强度；
c)采用等离子喷涂方法在基体表面制备厚度约为100μm的Ni涂层，控制等离子喷涂电流为500A，电压为60V，送粉速率为40g/min，喷涂距离为100mm；
d)采用火焰喷涂方法将待喷涂液料喷涂到上述Ni涂层表面，得到厚度约30μm的纳米结构TiO2涂层，控制火焰喷涂枪的喷涂参数为：助燃气O2、燃气为乙炔、辅助气为压缩空气的压力分别为0.6MPa、0.1Mpa、0.6Mpa，流量分别为5 Nm3/h、2 Nm3/h、5.0 Nm3/h，液料雾化压缩空气压力为0.6MPa，流量为4Nm3/h，喷涂距离为160mm。
经过权威部门检测，利用上述技术方案对尾气进行处理后，达到环保部的排放要求。
实施例5：
某金属矿场采用热处理技术进行土壤修复，所产生的尾气主要含有的污染物包括：粉尘、挥发性有机物、二噁英和苯系列有机物等。利用本发明的技术方案对排放的气体进行处理，按照以下步骤实施：
1、离子雾化净化采用的喷淋水泵功率0.75KW，循环流量3.6T/h，用水（补水）量1.2T/h，螺旋喷嘴压力0.3MPa，直径1mm；
2、纳米结构TiO2涂层的制备过程中采用的基体材料为厚度约2mm的16L不锈钢片，该基体表面的纳米结构TiO2涂层的厚度为10μm，该涂层中TiO2的晶相组成为锐钛矿相和金红石相，按照质量分数计，锐钛矿型占90%，涂层表面为多孔纳米结构，在基体与纳米结构涂层之间以铝涂层作为过渡层，其厚度为300μm。该涂层的具体制备方法如下：
a)将去离子水和无水乙醇按体积比3:1混合配成溶液，将市售平均粒度为20nm的TiO2纳米粉末以3.3wt%的比例加入上述配好的溶液中配成，磁力搅拌混合均匀，将磷酸盐系列粘结剂和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）分别按0.12wt%和0.8wt%的比例加入上述配好的混合液中，磁力搅拌混合均匀；
b)将基体进行清洗，采用60目棕刚玉砂进行表面喷砂粗化处理，使其粗糙度达到喷涂要求，提高喷涂的涂层与基体的结合强度；
c)采用等离子喷涂方法在基体表面制备厚度约为300μm的铝涂层，控制等离子喷涂电流为550A，电压为50V，送粉速率为40g/min，喷涂距离为100mm；
d)采用火焰喷涂方法将待喷涂液料喷涂到上述Ni涂层表面，得到厚度约10μm的纳米结构TiO2涂层，控制火焰喷涂枪的喷涂参数为：助燃气O2、燃气为乙炔、辅助气为压缩空气的压力分别为0.6MPa、0.1Mpa、0.6Mpa，流量分别为5 Nm3/h、2 Nm3/h、5 Nm3/h，液料雾化压缩空气压力为0.6MPa，流量为4Nm3/h，喷涂距离为120mm。
经过权威部门检测，利用上述技术方案对尾气进行处理后，达到环保部的排放要求。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种兼具吸附和降解功能的土壤修复尾气净化工艺，其特征在于，包括以下步骤：
物理吸附：建立具有物理吸附功能的离子雾化，把尾气经过离子雾化，有效去除尾气中的固体和可溶性气体污染物；
光催化降解：采用液相热喷涂方法在基体上制备纳米结构TiO2涂层，利用纳米结构TiO2涂层在紫外光的照射下受激生成“电子-空穴对”，尾气经过纳米结构TiO2涂层表面时，将空气中污染物直接分解成二氧化碳和水，同时破坏细菌的细胞壁，杀灭细菌并分解其丝网菌体，从而将尾气中的绝大部分污染物去除，实现对多种污染性气体的有效净化；
监测:利用气体监测手段，实现对气体质量的实时监控，调整物理吸附参数和光催化降解参数，从而确保最终所排放的气体达到环保要求。
2.根据权利要求1所述的兼具吸附和降解功能的土壤修复尾气净化工艺，其特征在于，所述离子雾化由多个螺旋喷嘴喷出的液体构成，螺旋喷嘴安装于喷淋管上，利用喷淋水泵进行喷淋管内液体的提供，喷淋管和喷嘴的数量根据系统需处理的气体量计算得出，螺旋喷嘴的内孔直径为0.8mm-2mm。
3.根据权利要求1所述的兼具吸附和降解功能的土壤修复尾气净化工艺，其特征在于，所述纳米结构TiO2涂层厚度约为10~50μm ，纳米结构TiO2涂层中TiO2为混晶型TiO2。
4.根据权利要求3所述的兼具吸附和降解功能的土壤修复尾气净化工艺，其特征在于，所述混晶型TiO2包括但不限于锐钛矿相和金红石相，且锐钛矿和金红石的质量比为70/30~90/10。
5.根据权利要求1所述的兼具吸附和降解功能的土壤修复尾气净化工艺，其特征在于，所述纳米结构TiO2涂层与基体之间设置有一层金属涂层作为过渡层，过渡层的厚度为100~300μm，所述基体为金属材料、陶瓷材料、有机材料以及复合材料。
6.根据权利要求1所述的兼具吸附和降解功能的土壤修复尾气净化工艺，其特征在于，所述空气中污染物包括但不限于甲醛和苯。
7.根据权利要求5所述的兼具吸附和降解功能的土壤修复尾气净化工艺，其特征在于，所述光催化降解步骤中，纳米结构TiO2涂层的制备包括：
纳米TiO2喷涂液料的制备：纳米TiO2喷涂液料的制备过程中去离子水和无水乙醇的体积比为1:1~5:1，TiO2粉末在液料中的质量百分比含量为2wt%~5wt%，粘结剂在液料中的质量百分比含量为0.3wt%~1.5wt%，所述粘结剂为水性聚氨酯、聚乙烯吡咯烷酮和磷酸盐系列粘结剂中的任意一种或者任意两种的混合物；
基体的清洗和表面粗化处理；
过渡层的制备：所述过渡层是Al、Zn、Ti、Ni、Fe、Co金属或其合金中的任意一种，采用热喷涂方法制备在基体的表面，所述热喷涂方法是电弧喷涂、火焰喷涂、等离子喷涂或激光喷涂中的任意一种；
过渡层表面纳米结构涂层的制备：利用火焰喷涂方法，以乙炔为燃气，氧气为助燃气，将配制好的纳米TiO2喷涂液料用压缩空气雾化后，采用枪外送料方式输送到火焰根部，并且该雾化的纳米TiO2喷涂液料的输送方向与热喷涂火焰轴向呈30°~90°夹角，助燃气、燃气和压缩空气的压力分别为0.4～0.8Mpa、0.1～0.3Mpa和0.3～0.6Mpa，流量分别为2.0~3.5Nm3/h、1.0~2.0 Nm3/h和2.0~3.5 Nm3/h，纳米TiO2喷涂液料的流量为1.5 Nm3/h ~4.5 Nm3/h，喷涂距离为150~350mm。
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