CN107774120A

CN107774120A - 一种微波协同催化氧化VOCs的工艺

Info

Publication number: CN107774120A
Application number: CN201711217362.6A
Authority: CN
Inventors: 胡将军; 刘芬
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2018-03-09
Anticipated expiration: 2037-11-28
Also published as: CN107774120B

Abstract

本发明属于有机废气催化领域，具体公开了一种微波协同催化氧化VOCs的工艺。有机废气通过风机升压送入微波装置中的催化氧化反应器中，催化氧化反应器内装有催化剂，利用微波加热并诱导催化氧化。该工艺改变了传统的电炉加热催化氧化方式，有利于减缓催化剂的烧结失活、效率下降现象，提高催化剂稳定性；改变碳化硅与催化剂的结合方式，催化剂升温更快更均匀；显著降低催化氧化温度，并提高效率；减少碳化硅材料用量，节约成本；技术工艺易于实施，利于工程化应用。

Description

一种微波协同催化氧化VOCs的工艺

技术领域

本发明涉及一种微波协同催化氧化VOCs的工艺，属于大气污染控制领域。

背景技术

随着经济建设的加快，工业企业的迅速发展，挥发性有机物(VOCs)的排放日渐增加，严重威胁到公众健康和生存环境。VOCs本身具有毒性并伴有恶臭，部分还可以致癌，破坏臭氧层，属于一次污染物；在紫线辐照下VOCs与氮氧化物生成光化学烟雾，同时VOCs作为PM2.5的前驱物，是造成雾霾的元凶之一，严重威胁到公众健康和生存环境。对VOCs的降解是目前环境领域非常重要的一项工作。

催化燃烧法具有低温、催化效率高、污染物净化彻底、适用性广等优势在VOCs降解中被广泛应用。最常采用的加热方式是电加热，使反应温度达到200-450℃。普通管式炉加热反应时热能由表及里传播，致使样品加热不均匀；放出的热量来不及散失，使得催化剂组份发生烧结和团聚现象，改变了催化剂孔道结构，从而影响催化剂活性而降低了VOCs的转化率；电加热热损失大能耗高。微波加热具有快速、均匀加热，穿透性强，无滞后性、高效节能等优点，利用微波加热替代传统电加热，将有助于保持催化剂的稳定性和高活性，以此来提高目标物的催化氧化降解效果。微波也具有诱导催化的作用，且显著降低反应温度，还能够改变分子间的相互作用力，使化学反应速率更快、产率更高甚至可以改变产物的性能。

研究表明，将微波与催化氧化技术相结合应用于污染物治理，将是一种行之有效和具有应用前景的污染治理新技术。治理挥发性有机废气过程中微波催化氧化技术的应用，能够有效的缩短废气的解吸和吸附时间，显著的降低了各种能源的消耗和浪费。同时，微波催化氧化技术在治理挥发性有机废气的过程中还具有非常好的经济性，现在采用的吸附剂的吸附效果非常好，并且至少能够连续使用二十次，在反复使用的过程中都具有非常好的吸附效果。

微波加热具有选择性。SiC的吸波能力最强，能迅速将微波能转化为热能。但是目前市售的SiC材料比表面积很小，限制了其作为催化剂载体的使用。活性氧化铝由于比表面积大、吸附性能好、热稳定等优点而被广泛地用作催化剂的载体。本发明利用高氧化性及强耐高温的强吸波材料碳化硅对氧化铝载体进行改性，改善碳化硅与催化剂的结合方式，有效减少碳化硅的用量，使催化剂更有效地利用微波能来提高催化氧化的效率，获得更高效的反应条件，提高VOCs的催化氧化效率。过渡金属氧化物中Cu、Mn、Co、Cr、V、Ce、Zr等金属氧化物对VOCs的催化燃烧都具有很好的活性。氧化铈(CeO₂)具有良好的储氧、释氧的能力及优良的低温活性，间接形状效应形成氧空位并以活跃的形式与其他组分结合。在催化剂中掺杂少量的CeO₂，CeO₂可通过给其他组分元素“供氧”而达到增强催化剂的稳定性、减少团聚、提高组分的分散程度的效果。

发明内容

针对现有技术存在的缺点，本发明的目的是提供一种用微波加热替代传统高耗能低效率电加热来进行VOCs催化氧化的工艺方式。普通电加热能耗高，加热不均，催化剂易烧结失活的缺点，采用微波加热并诱导催化氧化，进一步降低反应温度，优化反应条件，提升催化性能。该工艺改变了传统的电炉加热催化氧化方式，有利于减缓催化剂的烧结失活、效率下降现象，提高催化剂稳定性；改变碳化硅与催化剂的结合方式，催化剂升温更快更均匀；显著降低催化氧化温度，并提高效率；减少碳化硅材料用量，节约成本；技术工艺易于实施，利于工程化应用。

本发明的技术方案可以通过以下技术措施来实现：

一种微波协同催化氧化VOCs的工艺，采用SiC掺杂后的活性氧化铝作为催化剂的载体，以微波方式加热并诱导催化氧化反应。

优选地，所述催化剂包括载体、由一种或多种过渡金属氧化物的混合物构成的活性成分和由CeO₂构成的助剂。

优选地，所述的催化剂中SiC占催化剂总质量的3％～10％，活性组分占催化剂总质量的5％～10％，助剂CeO₂占催化剂总质量的2.5％～5％。

优选地，所述催化剂的比表面积为200-220m²·g^-1，平均孔容为0.3-0.5cm³·g^-1，平均孔径为6-8nm。

优选地，所述的微波协同催化氧化VOCs的工艺，包括如下步骤：

(1)将催化剂装入催化氧化反应器，将催化氧化反应器设置于微波装置内部；

(2)有机废气经过干燥、除尘后进行混合；

(3)混合后的有机废气通过风机升压送入位于微波装置内的催化氧化反应器中；

(4)利用微波加热并诱导催化氧化，协同催化剂的吸附及催化氧化作用，使废气中的有机物转化为无害的CO₂和H₂O，完成对有机废气的无害化降解；

(5)催化氧化反应器内反应完全的尾气经反应器排出。

优选地，所述有机废气的浓度为100-1000ppm。

优选地，步骤(1)中采用CaCl₂干燥器进行干燥。

优选地，步骤(1)中采用布袋除尘器进行除尘。

优选地，所述的微波装置为中空、功率连续可调式，功率调节范围为50-350w。

优选地，步骤(3)中，风机入口或出口设置有用于控制废气在催化氧化反应器中的停留时间的空速调节器。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、改变了传统的电炉加热催化氧化方式，有利于减缓催化剂的烧结失活、效率下降现象，提高催化剂稳定性。

2、改变碳化硅与催化剂的结合方式，催化剂升温更快更均匀。

3、显著降低催化氧化温度，并提高效率。

4、减少了碳化硅材料的用量，有效降低成本缓解催化剂反应过程中活性组分烧结而导致的效率降低问题。

5、技术工艺易于实施，利于工程化应用。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。

图1为本发明一种微波协同催化氧化VOCs工艺的流程图。

图中的附图标注为：

1，干燥器；2，除尘器；3，缓冲罐；4，风机；5，空速调节器；6，微波装置；7，催化氧化反应器。

具体实施方式

为使本发明更加容易理解，下面将进一步阐述本发明的具体实施例。

实施例1：

在气体动态模拟实验系统上利用微波协同催化氧化技术降解含甲苯废气。在催化反应器内填装用石英砂混合稀释后的催化剂，入出口气体采用气相色谱(GCT890)分析，色谱柱填料是5A分子筛。催化剂为碳化硅改性后的氧化铝负载Co₃O₄和CeO₂，其中碳化硅掺杂质量分数为5％，Co₃O₄的负载量为5％，CeO₂的负载量为2.5％，其余为氧化铝。反应气体的组成为：甲苯进样浓度：600ppm；空气流速0.08m³/h，微波功率100w。将反应气体通过风机打入微波装置内的催化氧化反应器内，依靠微波加热并诱导催化氧化，协同催化剂的吸附及催化氧化作用，在240℃时甲苯的降解效率可以达到90.2％。与实施例5和6对比可知，微波及碳化硅的协同能显著降低催化氧化反应的温度，从而减缓催化剂的高温烧结甚至失活现象。

实施例2：

在气体动态模拟实验系统上利用微波协同催化氧化技术降解含甲苯废气。在催化反应器内填装用石英砂混合稀释后的催化剂，入、出口气体采用气相色谱(GCT890)分析，色谱柱填料是5A分子筛。催化剂为碳化硅改性后的氧化铝负载Co₃O₄和CeO₂，其中碳化硅掺杂质量分数为5％，Co₃O₄的负载量为5％，CeO₂的负载量为2.5％，其余为氧化铝。反应气体的组成为：甲苯进样浓度：600ppm；空气流速0.08m³/h，微波功率300w。在240℃时，甲苯的降解效率可以达到94.5％。

实施例3：

在气体动态模拟实验系统上利用微波协同催化氧化技术降解含甲苯废气。在催化反应器内填装用石英砂混合稀释后的催化剂，入、出口气体采用气相色谱(GCT890)分析，色谱柱填料是5A分子筛。催化剂为碳化硅改性后的氧化铝负载Co₃O₄和CeO₂，其中碳化硅掺杂质量分数为5％，Co₃O₄的负载量为10％，CeO₂的负载量为5％，其余为氧化铝。反应气体的组成为：甲苯进样浓度：600ppm；空气流速0.08m³/h，微波功率300w。在240℃时，甲苯的降解效率可以达到95.7％。

实施例4：

在气体动态模拟实验系统上利用微波协同催化氧化技术降解含甲苯废气。在催化反应器内填装用石英砂混合稀释后的催化剂，入、出口气体采用气相色谱(GCT890)分析，色谱柱填料是5A分子筛。催化剂为碳化硅改性后的氧化铝负载Co₃O₄和CeO₂，其中碳化硅掺杂质量分数为5％，Co₃O₄的负载量为5％，CeO₂的负载量为2.5％，其余为氧化铝。反应气体的组成为：甲苯：0.1％；O₂：5.0％；N₂平衡(体积百分比)，气体体积空速为0.08m³/h，微波功率300w。在265℃时，甲苯的降解效率可以达到85.8％。

实施例5：

在气体动态模拟实验系统上利用微波协同催化氧化技术降解含甲苯废气。在催化反应器内填装用石英砂混合稀释后的催化剂，入、出口气体采用气相色谱(GCT890)分析，色谱柱填料是5A分子筛。催化剂为活性氧化铝负载Co₃O₄和CeO₂，不进行碳化硅掺杂，Co₃O₄的负载量为5％，CeO₂的负载量为2.5％，其余为氧化铝。反应气体的组成为：甲苯进样浓度：600ppm；空气流速0.08m³/h，微波功率300w。在275℃时，甲苯的降解效率可以达到89.6％。

实施例6：

在气体动态模拟实验系统上利用电炉加热对含甲苯废气进行催化氧化。在催化反应器内填装用石英砂混合稀释后的催化剂，入、出口气体采用气相色谱(GCT890)分析，色谱柱填料是5A分子筛。催化剂为碳化硅改性后的氧化铝负载Co₃O₄和CeO₂，其中碳化硅掺杂质量分数为5％，Co₃O₄的负载量为5％，CeO₂的负载量为2.5％，其余为氧化铝。反应气体的组成为：甲苯进样浓度：600ppm；空气流速0.08m³/h。在290℃时，甲苯的降解效率可以达到80.4％。

实施例7：

在气体动态模拟实验系统上利用微波协同催化氧化技术降解含甲苯废气。在催化反应器内填装用石英砂混合稀释后的催化剂，入、出口气体采用气相色谱(GCT890)分析，色谱柱填料是5A分子筛。催化剂为碳化硅改性后的氧化铝负载CuMnO_x，其中碳化硅掺杂质量分数为5％，CuO的负载量为5％，MnO₂的负载量为5％，其余为氧化铝。反应气体的组成为：甲苯进样浓度：600ppm；空气流速0.08m³/h，微波功率300w。在240℃时，甲苯的降解效率可以达到94.5％。

实施例8：

在气体动态模拟实验系统上利用微波协同催化氧化技术降解含甲苯废气。在催化反应器内填装用石英砂混合稀释后的催化剂，入、出口气体采用气相色谱(GCT890)分析，色谱柱填料是5A分子筛。催化剂为碳化硅改性后的氧化铝负载CuMnCeO_x，其中碳化硅掺杂质量分数为5％，CuO的负载量为5％，MnO₂的负载量为5％，CeO₂的负载量为2.5％，其余为氧化铝。反应气体的组成为：甲苯进样浓度：600ppm；空气流速0.08m³/h，微波功率300w。在230℃时，甲苯的降解效率可以达到95％。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1.一种微波协同催化氧化VOCs的工艺，其特征在于：采用SiC掺杂后的活性氧化铝作为催化剂的载体，以微波方式加热并诱导催化氧化反应。

2.根据权利要求1所述的一种微波协同催化氧化VOCs的工艺，其特征在于：所述催化剂包括载体、由一种或多种过渡金属氧化物的混合物构成的活性成分和由CeO₂构成的助剂。

3.根据权利要求2所述的微波协同催化氧化VOCs工艺，其特征在于：所述的催化剂中SiC占催化剂总质量的3％～10％，活性组分占催化剂总质量的5％～10％，助剂CeO₂占催化剂总质量的2.5％～5％。

4.根据权利要求2所述的微波协同催化氧化VOCs工艺，其特征在于：所述催化剂的比表面积为200-220m²·g^-1，平均孔容为0.3-0.5cm³·g^-1，平均孔径为6-8nm。

5.根据权利要求1所述的微波协同催化氧化VOCs的工艺，其特征在于：包括如下步骤：

(2)有机废气经过干燥、除尘后进行混合；

(5)催化氧化反应器内反应完全的尾气经反应器排出。

6.根据权利要求5所述的微波协同催化氧化VOCs的工艺，其特征在于：所述有机废气的浓度为100-1000ppm。

7.根据权利要求5所述的微波协同催化氧化VOCs的工艺，其特征在于：步骤(1)中采用CaCl₂干燥器进行干燥。

8.根据权利要求5所述的微波协同催化氧化VOCs的工艺，其特征在于：步骤(1)中采用布袋除尘器进行除尘。

9.根据权利要求5所述的微波协同催化氧化VOCs的工艺，其特征在于：所述的微波装置为中空、功率连续可调式，功率调节范围为50-350w。

10.根据权利要求5所述的微波协同催化氧化VOCs的工艺，其特征在于：步骤(3)中，风机入口或出口设置有用于控制废气在催化氧化反应器中的停留时间的空速调节器。