CN107866216A - 一种催化剂及利用其净化甲醛的工艺和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种催化剂及利用其净化甲醛的工艺和装置。该工艺和装置中的催化剂是通过载体在KMnO4水溶液中浸渍后，经焙烧得到的，其上会负载MnO2和MnO晶体，利用MnO晶体可催化分解电晕放电过程中产生的臭氧，避免臭氧所造成的二次污染；同时利用电晕放电产生的高能电子和自由基撞击催化剂，可活化催化剂上的活性成分，增加其上的活性位点；另外还可疏通催化剂孔道，最终提高了催化剂活性，延长了催化剂的使用时间，减少了催化剂更换频率。

Description

一种催化剂及利用其净化甲醛的工艺和装置
技术领域
本发明属于气体净化技术领域，具体涉及一种催化剂及利用其净化甲醛的工艺和装置。
背景技术
甲醛是室内空气中最严重和最常见的污染物之一，其是世界上公认的潜在致癌物。目前常用的甲醛处理方法包括催化剂净化、等离子体净化、光催化和生物净化等。但是单独采用上述任一种甲醛处理方法一般会存在净化效果不够好的缺陷。
为此，现有技术尝试将两种甲醛处理方法结合起来使用，诸如中国专利文献CN103349890A公开了一种基于纳秒脉冲放电技术脱除室内有害气体的装置，该技术便是将催化剂净化和等离子体净化结合起来使用的。
上述技术结合了两种甲醛处理方法，提高了甲醛的脱除效率。但是，本领域公知：采用等离子体净化时易产生臭氧，导致净化后的气体中含有臭氧，造成二次污染；再者，催化剂使用一段时间后，催化性能下降，需要不断更换。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中采用催化剂净化和等离子体净化结合起来处理含甲醛气体时，易出现二次污染和催化剂活性下降的缺陷。
为此，本发明提供一种催化剂，所述催化剂为载体在KMnO4水溶液中浸渍后，经焙烧得到，所述催化剂上负载MnO晶体。
再者，本发明还提供了一种催化剂的制备方法，包括如下步骤：
1)将载体在0.04-0.10mol/L的KMnO4水溶液中浸渍12h-48h；
2)在惰性气氛下，将所述步骤1)中浸渍后的载体于400-700℃下焙烧3-6h，制得催化剂。
进一步地，在所述浸渍之后，所述焙烧之前，还包括：将所述步骤1)中浸渍后的载体干燥后，在惰性气氛下，将所述载体于500-800W下微波处理4-7min。
进一步地，在所述浸渍之前，还包括对所述载体依次进行酸洗、水洗和干燥的步骤；
所述载体为活性炭、分子筛或二氧化硅中的至少一种。
此外，本发明还提供了上述催化剂在净化臭氧和/或甲醛气体中的应用。
另外，本发明还提供了一种净化甲醛的工艺，包括如下步骤：在电晕放电环境下，用上述催化剂催化净化含甲醛气体，得到净化气体。
进一步地，将所述含甲醛气体通过催化反应段，得到净化气体，所述催化反应段装填所述催化剂。
进一步地，沿所述含甲醛气体的流动方向，所述催化反应段中所述催化剂的装填厚度为3-8cm。
进一步地，所述电晕放电为直流电晕放电。
进一步地，所述直流电晕放电的放电电压为5-20kV。
另外，本发明还提供了一种净化装置，包括具有进气端和出气端的壳体，所述进气端设置进气口，所述出气端设置出气口；
接地极和放电极，且两者间保持间隙；
所述放电极具有产生电晕放电的放电端，所述催化反应段设置于所述放电端与所述出气口间的所述壳体内，且其内装填所述催化剂。
进一步地，所述放电极为金属杆，所述金属杆沿所述壳体的轴线伸入其内；
所述接地极为两端开口的圆筒状电极板，所述圆筒状电极板套设于所述金属杆上。
进一步地，所述间隙的宽度为35-40mm；
所述放电极的直径为1-3mm。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的催化剂，将载体在KMnO4水溶液中浸渍后，经焙烧得到，该催化剂上负载MnO晶体，利用MnO晶体可催化分解电晕放电过程中产生的臭氧，避免臭氧所造成的二次污染。
2.本发明提供的净化甲醛的工艺，其中的催化剂是通过载体在KMnO4水溶液中浸渍后，经焙烧得到的，其上会负载MnO2和MnO晶体，利用MnO晶体可催化分解电晕放电过程中产生的臭氧，避免臭氧所造成的二次污染；同时利用电晕放电产生的高能电子和自由基撞击催化剂，可活化催化剂上的活性成分，增加其上的活性位点；另外还可疏通催化剂孔道，最终提高了催化剂活性，延长了催化剂的使用时间，减少了催化剂更换频率。
3.本发明提供的净化甲醛的工艺，通过电晕放电产生自由基与高能电子，将甲醛中的化学键裂解进而处理掉甲醛并且产生H2O和CO2，处理效果良好，产物无毒无害；通过催化剂有效吸附甲醛，并利用MnO2去催化氧化甲醛，通过电晕放电和催化剂两者协同作用，可使甲醛的去除率达到99％以上。同时，采用直流电晕放电，并控制放电电压，进一步地提高了甲醛去除效果，同时降低了电晕放电过程中臭氧的产生量。
4.本发明提供的净化装置，通过在放电端与出气口间的壳体内设置催化反应段，并在其内装填催化剂，利用放电端产生电晕放电，以在壳体内充满高能电子和自由基，进而撞击催化剂，可活化催化剂上的活性成分，增加其上的活性位点；另外还可疏通催化剂孔道，最终提高了催化剂活性，延长了催化剂的使用时间，减少了催化剂更换频率；再者，利用催化剂中的MnO晶体可催化分解电晕放电过程中产生的臭氧，避免臭氧所造成的二次污染。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中净化装置的结构示意图；
图2为本发明中微波处理装置的结构示意图；
附图标记说明：
1-进气口；2-放电极；3-接地极；4-壳体；5-催化反应段；6-出气口；7-保护管；8-微波炉。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
下述各实施例和对比例中所涉及的微波处理可采用图2中所示的图2微波处理装置，该装置在微波炉8上设置上下贯穿的保护管7。
实施例1
本实施例提供一种净化甲醛的工艺，包括如下步骤：在放电电压为15kV下的直流电晕放电环境下，将甲醛含量为1000ppm的空气以300ml/min的气体流速通过催化反应段，得到净化气体；
其中，催化反应段装填催化剂，沿空气的流动方向，所述催化反应段中所述催化剂的装填厚度为5.5cm；
催化剂的制备方法，包括如下步骤：
1)将比表面积为900m2/g、平均孔径为2.3×10-9m的活性炭先用盐酸酸洗，再用去离子水洗涤，最后于105℃下干燥；
2)将步骤1)处理后的载体在0.45mol/L的KMnO4水溶液中浸渍30h；
3)将步骤2)中浸渍后的载体干燥后，在N2气氛下，将其于700W下微波处理6min；
4)在N2气氛下，将步骤3)处理后的载体于550℃下焙烧4.5h，制得催化剂。经过XRD测试，该催化剂中含有MnO。
实施例2
本实施例提供一种净化甲醛的工艺，包括如下步骤：在放电电压为15kV下的直流电晕放电环境下，将甲醛含量为1000ppm的空气以300ml/min的气体流速通过催化反应段，得到净化气体；
其中，催化反应段装填催化剂，沿空气的流动方向，所述催化反应段中所述催化剂的装填厚度为5.5cm；
催化剂的制备方法，包括如下步骤：
1)将比表面积为900m2/g、平均孔径为2.3×10-9m的活性炭在0.45mol/L的KMnO4水溶液中浸渍30h；
2)在N2气氛下，将步骤1)中浸渍后的载体于550℃下焙烧4.5h，制得催化剂。经过XRD测试，该催化剂中含有MnO。
实施例3
本实施例提供一种净化甲醛的工艺，包括如下步骤：在放电电压为20kV下的直流电晕放电环境下，将甲醛含量为1000ppm的空气以300ml/min的气体流速通过催化反应段，得到净化气体；
其中，催化反应段装填催化剂，沿空气的流动方向，所述催化反应段中所述催化剂的装填厚度为8cm；
催化剂的制备方法，包括如下步骤：
1)将4A分子筛先用盐酸酸洗，再用去离子水洗涤，最后于105℃下干燥；
2)将步骤1)处理后的载体在0.04mol/L的KMnO4水溶液中浸渍48h；
3)将步骤2)中浸渍后的载体干燥后，在N2气氛下，将其于800W下微波处理4min；
4)在N2气氛下，将步骤3)处理后的载体于400℃下焙烧6h，制得催化剂。经过XRD测试，该催化剂中含有MnO。
实施例4
本实施例提供一种净化甲醛的工艺，包括如下步骤：在放电电压为5kV下的直流电晕放电环境下，将甲醛含量为1000ppm的空气以300ml/min的气体流速通过催化反应段，得到净化气体；
其中，催化反应段装填催化剂，沿空气的流动方向，所述催化反应段中所述催化剂的装填厚度为3cm；
催化剂的制备方法，包括如下步骤：
1)将比表面积为700m2/g、平均孔径为5nm的二氧化硅先用盐酸酸洗，再用去离子水洗涤，最后于105℃下干燥；
2)将步骤1)处理后的载体在0.10mol/L的KMnO4水溶液中浸渍12h；
3)将步骤2)中浸渍后的载体干燥后，在N2气氛下，将其于500W下微波处理7min；
4)在N2气氛下，将步骤3)处理后的载体于700℃下焙烧3h，制得催化剂。经过XRD测试，该催化剂中含有MnO。
实施例5
本实施例提供一种净化装置，如图1所示，包括具有进气端和出气端的壳体4，所述进气端设置进气口1，所述出气端设置出气口6；
接地极3和放电极2，均设置于所述壳体4内，且两者间保持间隙；在本实施例中，接地极3的材质为304不锈钢；在另一实施方式中，接地极3的材质为导电塑料；
所述放电极2具有产生电晕放电的放电端，催化反应段设置于所述放电端与所述出气口6间的所述壳体4内，且其内装填所述催化剂。
在本实施例中，壳体4为圆柱状壳体，该圆柱状壳体的一端设置进气口1，相对端设置出气口6；在另一实施例中，壳体4为长方体状壳体；
放电极2为金属杆，所述金属杆沿所述壳体4的轴线伸入其内；
所述接地极3为两端开口的圆筒状电极板，所述圆筒状电极板套设于所述金属杆上。更具体地，圆筒状电极板与壳体4内壁紧贴，并被壳体4内壁固定；在另一实施例中，所述接地极3为长方形电极板。
催化反应段可为催化剂固定反应床。
上述净化装置中，通过在放电端与出气口6间的壳体4内设置催化反应段，并在其内装填催化剂，利用放电端产生电晕放电，以在壳体4内充满高能电子和自由基，进而撞击催化剂，可活化催化剂上的活性成分，增加其上的活性位点；另外还可疏通催化剂孔道，最终提高了催化剂活性，延长了催化剂的使用时间，减少了催化剂更换频率；再者，利用催化剂中的MnO晶体可催化分解电晕放电过程中产生的臭氧，避免臭氧所造成的二次污染。
再者，催化反应段设置于所述放电端与所述出气口6间的所述壳体4内可有吸收电晕放电过程中产生的臭氧，并通过MnO去除臭氧。
为了提高放电极2的放电效率，以便产生更多的高能电子和自由基，
所述间隙的宽度为35-40mm；
所述放电极的直径为1-3mm。
为了提高电晕放电对催化反应段中催化剂的活化效果，同时避免电火花击穿催化反应段，放电端与催化反应段两者间距为60-80mm。
需要说明的是，放电极2还可采用锯齿电极、串齿电极、鱼骨电极或线式电极。
壳体4的尺寸大小可根据实际需要进行选择，在本实施例中，壳体4的直径为8cm，长度为30cm。
对比例1
本对比例提供一种净化甲醛的工艺，包括如下步骤：在放电电压为15kV下的直流电晕放电环境下，将甲醛含量为1000ppm的空气以300ml/min的气体流速通过催化反应段，得到净化气体；
其中，催化反应段装填比表面积为900m2/g、平均孔径为2.3×10-9m的活性炭，沿空气的流动方向，所述催化反应段中活性炭的装填厚度为5.5cm。
对比例2
本对比例提供一种净化甲醛的工艺，包括如下步骤：将甲醛含量为1000ppm的空气以300ml/min的气体流速通过催化反应段，得到净化气体；
其中，催化反应段装填催化剂，沿空气的流动方向，所述催化反应段中所述催化剂的装填厚度为5.5cm；
催化剂的制备方法，包括如下步骤：
1)将比表面积为900m2/g、平均孔径为2.3×10-9m的活性炭先用盐酸酸洗，再用去离子水洗涤，最后于105℃下干燥；
2)将步骤1)处理后的载体在0.45mol/L的KMnO4水溶液中浸渍30h；
3)将步骤2)中浸渍后的载体干燥后，在N2气氛下，将其于700W下微波处理6min；
4)在N2气氛下，将步骤3)处理后的载体于550℃下焙烧4.5h，制得催化剂。
试验例1
测定实施例1-4和对比例1-2中甲醛含量为1000ppm的空气在净化后，甲醛的去除率以及净化气体中臭氧含量，相应的测定结果如下表1所示：
表1甲醛的去除率以及净化气体中臭氧含量
从表1可得知：本发明的净化甲醛的工艺能有效去除甲醛，并且能消除电晕放电过程中产生的臭氧，避免二次污染。
试验例2
测定实施例1-4和对比例1-2中催化反应段中载体的更换时间，测定方法如下：将甲醛含量为1000ppm的空气按照上述工艺连续通过催化反应段，并测定净化气体中甲醛的去除率，当甲醛的去除率低于70％时，即更换载体，并记下此时的净化时间，即为载体的更换时间，相应的测定结果如下表2所示：
表2载体的更换时间
载体的更换时间/天
实施例1 70
实施例2 69
实施例3 71
实施例4 68
对比例1 15
对比例2 45
从表2可得知：本发明的净化甲醛的工艺中电晕放电和催化氧化协同作用，利用电晕放电产生的高能电子和自由基撞击催化剂，可活化催化剂上的活性成分，增加其上的活性位点；另外还可疏通催化剂孔道，最终提高了催化剂活性，延长了催化剂的使用时间，减少了催化剂更换频率。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (14)

1.一种催化剂，所述催化剂为载体在KMnO4水溶液中浸渍后，经焙烧得到，所述催化剂上负载MnO晶体。
2.一种催化剂的制备方法，包括如下步骤：
1)将载体在0.04-0.10mol/L的KMnO4水溶液中浸渍12h-48h；
2)在惰性气氛下，将所述步骤1)中浸渍后的载体于400-700℃下焙烧3-6h，制得催化剂。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在所述浸渍之后，所述焙烧之前，还包括：将所述步骤1)中浸渍后的载体干燥后，在惰性气氛下，将所述载体于500-800W下微波处理4-7min。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，在所述浸渍之前，还包括对所述载体依次进行酸洗、水洗和干燥的步骤；
所述载体为活性炭、分子筛或二氧化硅中的至少一种。
5.权利要求1所述的催化剂在净化臭氧和/或甲醛气体中的应用。
6.一种净化甲醛的工艺，包括如下步骤：在电晕放电环境下，用权利要求1所述的催化剂催化净化含甲醛气体，得到净化气体。
7.根据权利要求6所述的工艺，其特征在于，将所述含甲醛气体通过催化反应段，得到净化气体，所述催化反应段装填所述催化剂。
8.根据权利要求7所述的工艺，其特征在于，沿所述含甲醛气体的流动方向，所述催化反应段中所述催化剂的装填厚度为3-8cm。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的工艺，其特征在于，所述电晕放电为直流电晕放电。
10.根据权利要求9所述的工艺，其特征在于，所述直流电晕放电的放电电压为5-20kV。
11.一种净化装置，包括具有进气端和出气端的壳体，所述进气端设置进气口(1)，所述出气端设置出气口(6)；
接地极(3)和放电极(2)，且两者间保持间隙；
其特征在于，
所述放电极(2)具有产生电晕放电的放电端，所述催化反应段(5)设置于所述放电端与所述出气口(6)间的所述壳体(4)内，且其内装填所述催化剂。
12.根据权利要求11所述的净化装置，其特征在于，所述放电极(2)为金属杆，所述金属杆沿所述壳体(4)的轴线伸入其内；
所述接地极(3)为两端开口的圆筒状电极板，所述圆筒状电极板套设于所述金属杆上。
13.根据权利要求11或12所述的净化装置，其特征在于，所述间隙的宽度为35-40mm。
14.根据权利要求11或12所述的净化装置，其特征在于，所述放电极(2)的直径为1-3mm。
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