CN107744723B - 一种利用等离子快速净化工业废气的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及废气处理技术领域，特别是涉及一种利用等离子快速净化工业废气的方法，将废气收集至收集塔，然后送入空气压缩机形成压缩气体；使气体以瀑布状快速流出，在沿瀑布面方向设置等离子体，高速高频溅射具有很大动能的废气瀑布，从而使废气与等离子体之间发生高速碰撞，快速切断废气分子键，利用等离子体电离、裂解废气，从而使废气得到净化。通过将收集的废气压缩后以瀑布的形式快速流出，使得废气具有较高的能量，大幅提高等离子裂解废弃的效率，净化效率可达到95%，且该方法的操作步骤简单，便于维护，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及废气处理技术领域，特别是涉及一种利用等离子快速净化工业废气的方法。
背景技术
挥发性有机物(VolatileOrganicCompounds,简称VOCs)，通常指在常压下，沸点低于250℃的有机化合物，或在室温下，以气态分子形态排放到空气中的所有有机化合物的总称。大气中VOCs组成极其复杂，美国学者归纳为共有1885种。国家环保部最新发布的《大气挥发性有机物源排放清单编制技术指南(试行)》中，将VOCs分为烷烃、烯烃、芳香烃、炔烃的C2-C12非甲烷碳氢化合物等152种化合物。VOCs是产生大气雾霾的主要因素，污染因子众多且毒性较大，易产生恶臭污染。其排放来源非常广泛，其中，VOCs工业源涉及行业众多(如喷漆、印刷、印染等)，具有排放气量大、排放强度大、浓度波动大、污染物种类多、毒性大、持续时间长等特点，对空气质量的影响也最为显著。VOCs具有光化学活性，可产生臭氧污染，形成二次有机气溶胶，是形成大气复合污染的重要前体物之一，并会对人体健康造成一定危害。我国的挥发性有机污染物的排放量正逐年增加，引发的光化学烟雾、城市灰霾等复合大气污染问题日益严重。
近年来，随着微电子行业和医疗行业的发展，对空气质量的要求也越来越高，相应出现了很多关于空气净化、除湿的报道。目前，空气净化器所采用的去污方法一般包括物理方式、化学方式和离子化方式。物理去污方法主要采用过滤方式去除空气中悬浮颗粒物；化学去污方法是利用中和、催化和分解等化学反应方式除去室内空气中有害气体；离子化去污方法是采用电量放电、等离子体和紫外线除臭杀灭细菌。
采用物理过滤方式的话需要用非常细密的滤网，不仅滤网造价高而且耗能高。而化学型药剂不但是消耗品，且不可避免会造成其他的环境污染；而离子化能够去污的类型十分局限，其将带有正电荷和/或负电荷的离子发散到空气中，这些离子附着于空气中的颗粒物，从而使其带有正电荷或负电荷，进而使得颗粒物会附着到附近如墙壁或家具的表面上，或彼此附着发生沉积现象进而从空气中脱离。
综上，为了防止工业有机污染物排放进入空气，目前主要采用吸附回收和催化降解技术进行处理。由于吸附和储存有限，因此，使用受限；加之收集的废气不能有效的后期利用处理，使得吸附回收推广受到阻碍。另外催化降解不但成本高，而且效率低。
发明内容
针对现有工业废气催化降解成本高，效率低的不足，本发明提出一种利用等离子快速净化工业废气的方法，它将收集的废气压缩后以瀑布的形式快速流出，大幅提高等离子裂解废弃的效率，净化效率可达到98%。该方法使用简单，便于维护，成本低。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种利用等离子快速净化工业废气的方法，包括以下步骤：
（1）将废气收集至收集塔，然后送入空气压缩机，压缩气体的压强为5~50MPa，形成压缩气体；
（2）将压缩机中的压缩气体释放，使气体以瀑布状气流快速流出，在沿瀑布面方向设置等离子体，释放的压缩气体释放内能，同时使等离子体迎面溅射废气，使废气快速降解，得到净化后的气体。
本发明中，将工业排放的废气在收集塔聚集，送入空气压缩机形成压缩气体，然后在压缩机释放压缩气体，使气体以瀑布状快速流出，在沿瀑布面方向设置等离子体，高速高频溅射具有很大动能的废气瀑布，从而使废气与等离子体之间发生高速碰撞，快速切断废气分子键，利用等离子体电离、裂解废气，从而使废气得到净化。通过将收集的废气压缩后以瀑布的形式快速流出，使得废气具有较高的能量，大幅提高等离子裂解废弃的效率，净化效率可达到95%，且该方法的操作步骤简单，便于维护，成本低。
根据本发明，本发明可以通过提高压缩气体的释放速度提高压缩气体的动能，优选条件下，在步骤（2）中，所述压缩气体的释放速度为500~1500NM3/h。
根据本发明，为了进一步优化废气的净化效率，优选条件下，所述瀑布状气流为宽30cm、厚2-10μm。
根据本发明，为了进一步提高废气的净化效率，可以采用具有催化性能的等离子体作为碰撞源，使得废气在碰撞过程中，不仅能够进行碰撞降解，还可以被催化降解，提高废气的降解效率，优选条件下，所述等离子体选自银等离子体、镍等离子体、钴等离子体、钯等离子体中的至少一种。
根据本发明，例如，等离子选自RF等离子、微波等离子和直流等离子，优选条件下，本发明可以采用冷等离子技术。在一个优选的实施例中，所述等离子为RF等离子。等离子处理通过某些变量和参数来控制，包括使用的气体类型、射频、功率、处理时间、大气压力等。
根据本发明，为了进一步优化废气的净化效率，优选条件下，所述等离子体的频率为5~100Hz。
根据本发明，为了进一步优化废气的净化效率，优选条件下，所述等离子体的功率为50~500W。
根据本发明，优选条件下，所述等离子体的形成为：
A、靶材制备：将金属与粉末载体复合，制成金属靶材；
B、采用惰性气体溅射靶材。
根据本发明，步骤B中的溅射可使用任意合适的条件，例如气体成分、气压、以及溅射电流、电压、时间和次数来进行。作为溅射中所使用的气体成分，可举出惰性气体、例如氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)或氮(N2)等。其中，从处理容易性方面考虑，优选Ar或N2。作为溅射中所使用的气压，只要为能够产生等离子体的气压就可任意地选择，但通常优选设为20Pa以下。作为溅射中所使用的电流和电压，根据靶材料的组成、溅射装置等适当地设定即可。作为溅射的时间，考虑复合金属微粒所期望的累积量和其它参数等适当地设定即可，没有特别限定，但例如可以在数十分钟至数小时或数十小时之间适当地进行设定。作为溅射的次数，例如为了防止由靶材料生成的复合金属微粒等因持续长时间的溅射而达到产生烧结等那样的高温，可以按每次数小时分成多次来进行。例如可以为：将真空室抽真空至压强为1×10-3Pa，然后以160 sccm的流速向真空室内通入惰性气体，至压强为4.5 Pa，开启偏压电源，以金属靶材为靶材，溅射得到等离子体；溅射条件为对所述金属基底A1施加的负偏压为-100 V，偏压占空比为50%，靶电流为2 A，溅射时间为10 min。
根据本发明，作为载持复合金属微粒的粉末载体，本发明对其没有特别限定，可以为能够在废气净化催化剂的技术领域中一般用作粉末载体的任意金属氧化物，优选条件下，所述粉末载体为二氧化铈、二氧化硅、二氧化锆、二氧化钛、三氧化二铝中的至少一种。
根据本发明，由于金属的粒径过大，比表面积变小，金属的活性点数量减少，金属的催化活性随着金属微粒的粒生长而降低，最终有可能不能实现足够的废气净化能力。而金属微粒的的粒径越小，其表面能越大，容易被氧化，且制备成本也显著增加，优选条件下，所述金属的粒径为5~100nm。
与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
本发明中，将工业排放的废气在收集塔聚集，送入空气压缩机形成压缩气体，然后在压缩机释放压缩气体，使气体以瀑布状快速流出，在沿瀑布面方向设置等离子体，高速高频溅射具有很大动能的废气瀑布，从而使废气与等离子体之间发生高速碰撞，快速切断废气分子键，利用等离子体电离、裂解废气，从而使废气得到净化。通过将收集的废气压缩后以瀑布的形式快速流出，使得废气具有较高的能量，大幅提高等离子裂解废弃的效率，净化效率可达到95%，且该方法的操作步骤简单，便于维护，成本低。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
一种利用等离子快速净化工业废气的方法，包括以下步骤：
（1）将废气收集至收集塔，然后送入空气压缩机形成压缩气体，压缩后压缩气体的压强为45MPa；
（2）靶材制备：将二氧化锆总重量3%的钯（粒径为10nm）与二氧化锆粉末复合，制成钯靶材；采用氩气溅射靶材：将真空室抽真空至压强为1×10-3Pa，然后以160 sccm的流速向真空室内通入氩气，至压强为4.5 Pa，开启偏压电源，以钯靶材为靶材，溅射得到等离子体；溅射条件为对：负偏压为-100 V，偏压占空比为50%，靶电流为2 A，溅射时间为10 min。
（3）将压缩机中的压缩气体以气体以瀑布状气流快速流出，瀑布状气流为宽30cm、厚2μm。流出速度为1350NM3/h，在沿瀑布面方向设置钯发射等离子体（所述钯等离子体为RF等离子，其频率为80MHz，功率为500W），使等离子体迎面溅射废气，即得到净化后的气体。
实施例2
一种利用等离子快速净化工业废气的方法，包括以下步骤：
（1）将废气收集至收集塔，然后送入空气压缩机形成压缩气体，压缩后压缩气体的压强为30MPa；
（2）靶材制备：将粉末二氧化钛总重量0.5%的镍（粒径为50nm）与粉末二氧化钛复合，制成镍靶材；采用氩气溅射靶材：将真空室抽真空至压强为1×10-3Pa，然后以160 sccm的流速向真空室内通入氩气，至压强为4.5 Pa，开启偏压电源，以镍靶材为靶材，溅射得到等离子体；溅射条件为：负偏压为-100 V，偏压占空比为50%，靶电流为2 A，溅射时间为10min。
（3）将压缩机中的压缩气体以气体以瀑布状气流快速流出，瀑布状气流为宽30cm、厚5μm。流出速度为1350NM3/h，在沿瀑布面方向设置镍发射等离子体（所述镍等离子体为RF等离子，其频率为5~100MHz，功率为50~500W），使等离子体迎面溅射废气，即得到净化后的气体。
实施例3
一种利用等离子快速净化工业废气的方法，包括以下步骤：
（1）将废气收集至收集塔，然后送入空气压缩机形成压缩气体，压缩后压缩气体的压强为20MPa；
（2）靶材制备：将粉末二氧化锆总重量1%的银（粒径为20nm）与粉末二氧化锆复合，制成银靶材；采用氩气溅射靶材：将真空室抽真空至压强为1×10-3Pa，然后以160 sccm的流速向真空室内通入氩气，至压强为4.5 Pa，开启偏压电源，以银靶材为靶材，溅射得到等离子体；溅射条件为：负偏压为-100 V，偏压占空比为50%，靶电流为2 A，溅射时间为10 min。
（3）将压缩机中的压缩气体以气体以瀑布状气流快速流出，瀑布状气流为宽30cm、厚8μm。流出速度为1500NM3/h，在沿瀑布面方向设置银发射等离子体（所述银等离子体为RF等离子，其频率为50MHz，功率为300W），使等离子体迎面溅射废气，即得到净化后的气体。
实施例4
一种利用等离子快速净化工业废气的方法，包括以下步骤：
（1）将废气收集至收集塔，然后送入空气压缩机形成压缩气体，压缩后压缩气体的压强为10MPa；
（2）靶材制备：将粉末三氧化二铝总重量0.2%的钴（粒径为80nm）与三氧化二铝载体复合，制成钴靶材；采用氩气溅射靶材：将真空室抽真空至压强为1×10-3Pa，然后以160sccm的流速向真空室内通入氩气，至压强为4.5 Pa，开启偏压电源，以钴靶材为靶材，溅射得到等离子体；溅射条件为：负偏压为-100 V，偏压占空比为50%，靶电流为2 A，溅射时间为10 min。
（3）将压缩机中的压缩气体以气体以瀑布状气流快速流出，瀑布状气流为宽30cm、厚10μm。流出速度为500NM3/h，在沿瀑布面方向设置钴发射等离子体（所述钴等离子体为RF等离子，其频率为20MHz，功率为100W），使等离子体迎面溅射废气，即得到净化后的气体。
实施例5
一种利用等离子快速净化工业废气的方法，包括以下步骤：
（1）将废气收集至收集塔，然后送入空气压缩机形成压缩气体，压缩后压缩气体的压强为5MPa；
（2）靶材制备：将粉末三氧化二铝总重量1.2%的银（粒径为5nm）与粉末三氧化二铝复合，制成银靶材；采用氩气溅射靶材：将真空室抽真空至压强为1×10-3Pa，然后以160sccm的流速向真空室内通入氩气，至压强为4.5 Pa，开启偏压电源，以银靶材为靶材，溅射得到等离子体；溅射条件为：负偏压为-100 V，偏压占空比为50%，靶电流为2 A，溅射时间为10 min。
（3）将压缩机中的压缩气体以气体以瀑布状气流快速流出，瀑布状气流为宽30cm、厚10μm。流出速度为1200NM3/h，在沿瀑布面方向设置银发射等离子体（所述银等离子体为RF等离子，其频率为5MHz，功率为50W），使等离子体迎面溅射废气，即得到净化后的气体。
对比例1
一种利用等离子快速净化工业废气的方法，包括以下步骤：
（1）将废气收集至收集塔，然后送入空气压缩机形成压缩气体，压缩后压缩气体的压强为5MPa；
（2）靶材制备：将粉末三氧化二铝总重量1.2%的银（粒径为5nm）与粉末三氧化二铝复合，制成银靶材；采用氩气溅射靶材：将真空室抽真空至压强为1×10-3Pa，然后以160sccm的流速向真空室内通入氩气，至压强为4.5 Pa，开启偏压电源，以银靶材为靶材，溅射得到等离子体；溅射条件为：负偏压为-100 V，偏压占空比为50%，靶电流为2 A，溅射时间为10 min。
（3）将压缩机中的压缩气体以气体以线性气流快速流出，流出速度为1200NM3/h，设置银发射等离子体（所述银等离子体为RF等离子，其频率为5MHz，功率为50W），使等离子体迎面溅射废气，即得到净化后的气体。
对比例2
一种快速净化工业废气的方法，包括以下步骤：
（1）将废气收集至收集塔，然后送入空气压缩机形成压缩气体，压缩后压缩气体的压强为5MPa；
（2）靶材制备：将粉末三氧化二铝总重量1.2%的银（粒径为5nm）与粉末三氧化二铝复合，制成银靶材；采用氩气溅射靶材：将真空室抽真空至压强为1×10-3Pa，然后以160sccm的流速向真空室内通入氩气，至压强为4.5 Pa，开启偏压电源，以银靶材为靶材，溅射得到等离子体；溅射条件为：负偏压为-100 V，偏压占空比为50%，靶电流为2 A，溅射时间为10 min。
（3）将压缩机中的压缩气体以气体以瀑布状气流快速流出，瀑布状气流为宽30cm、厚10μm。流出速度为1200NM3/h，即得到净化后的气体。
净化效果测试：
将实施例1-5、对比例1-2用于同一体系得印刷厂排气孔的收集废气进行净化前后的对比，实验结果见表1所示。
表1：
Claims (7)
1.一种利用等离子快速净化工业废气的方法，包括以下步骤：
（1）将废气收集至收集塔，然后送入空气压缩机，压缩气体的压强为5~50MPa，形成压缩气体；所述废气为含有机污染物的工业废气，所述有机污染物为甲苯和/或乙酸乙酯；
（2）将压缩机中的压缩气体释放，使气体以瀑布状气流快速流出，在沿瀑布面方向设置等离子体，释放的压缩气体释放内能，同时使等离子体迎面溅射废气，使废气快速降解，得到净化后的气体；所述压缩气体的释放速度为500~1500NM3/h；
所述等离子体的形成为：
A、靶材制备：将金属与粉末载体复合，制成金属靶材；
B、采用惰性气体溅射靶材。
2.根据权利要求1所述一种利用等离子快速净化工业废气的方法，其特征在于：所述瀑布状气流为宽30cm、厚2-10μm。
3.根据权利要求1所述一种利用等离子快速净化工业废气的方法，其特征在于：所述等离子体选自银等离子体、镍等离子体、钴等离子体、钯等离子体中的至少一种。
4.根据权利要求1所述一种利用等离子快速净化工业废气的方法，其特征在于：所述等离子体的频率为5~100Hz。
5.根据权利要求1所述一种利用等离子快速净化工业废气的方法，其特征在于：所述等离子体的功率为50~500W。
6.根据权利要求1所述一种利用等离子快速净化工业废气的方法，其特征在于：所述粉末载体为二氧化铈、二氧化硅、二氧化锆、二氧化钛、三氧化二铝中的至少一种。
7.根据权利要求1所述一种利用等离子快速净化工业废气的方法，其特征在于：所述金属的粒径为5~100nm。
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