CN108355484A - 一种光催化净化挥发性有机污染物的装置 - Google Patents

一种光催化净化挥发性有机污染物的装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光催化净化挥发性有机污染物的装置，反应釜壳体距底端1‑2cm处开设斜向进入的进气口，距顶端1‑2cm处开垂直出气口，进气口和出气口的直径均设置为0.5‑1.0cm，壳体的中心位置放置功率为6‑10W，波长为254nm的紫外灯，壳体内部距离光源5‑10cm距离呈圆周放置筒形的光催化剂膜层。二氧化钛催化剂固定于高孔隙度的活性炭纤维上，增大了活性表面积，有利于有机污染物的捕获与反应。光催化剂对于紫外光源呈圆周分布，提高了光利用率。进气口呈斜向安装，使得气体在反应器内部呈螺旋上升运动，有利于有机污染物与光催化剂接触，提高了传质效率。

Description

一种光催化净化挥发性有机污染物的装置
技术领域
本发明属于挥发性有机污染物净化与控制技术领域，具体涉及一种光催化净化挥发性有机污染物的装置。
背景技术
过滤和吸附是传统空气净化器使用的工艺，该工艺存在容量饱和的问题，需要频繁更换组件，对使用带来不便。半导体光催化技术具有无毒、能耗低等优势，在光催化降解环境中污染物过程中具有无选择性、反应速度快、能把有机污染物完全矿化等优点。因此，二氧化钛光催化技术已成为控制大气挥发性有机物污染的重要发展方向，但是，二氧化钛光催化剂存在吸附性能差、与污染物分子接触几率小、对光能利用率低等困难，阻碍了二氧化钛光催化技术在气体净化工业生产中的应用。光催化反应器作为光催化反应的主体设备决定了纳米催化剂活性的发挥和对光的利用，也直接影响纳米光催化反应的效率。目前研究的纳米材料光催化反应器主要包括膜式反应器、粉体悬浮式反应器和固定床式反应器等，但他们均存在一定的缺陷：膜式反应器不但纳米材料的涂层厚度和均匀性影响光催化性能，而且还存在纳米薄膜对气体中的污染物吸附作用不够的问题；粉体悬浮式反应器需要对纳米粉体进行回收，而回收不完全会导致二次污染，同时该反应器对大气污染物的处理效果不佳；固定床污染物反应器要求污染物浓度很低，而且占地面积很大。因此，开发高效的负载型光催化反应器是提高大气挥发性污染物净化效率的关键环节。
发明内容
针对现有技术中存在的大气挥发性污染物净化效率低的技术问题，本发明的目的在于提供一种光催化净化挥发性有机污染物的装置及催化剂的制备方法。
本发明采取的技术方案为：
一种光催化净化挥发性有机污染物的装置，包括反应器壳体，壳体距底端1-2cm处开设斜向进入的进气口，距顶端1-2cm处开垂直出气口，进气口和出气口的直径均设置为0.5-1.0cm，壳体的中心位置放置功率为6-10W，波长为254nm的紫外灯，壳体内部距离光源5-10cm距离呈圆周放置筒形的光催化剂膜层。
该反应器气流进入方向为斜向流，气流运动方式为螺旋上升，提高了传质效果，增强了与催化剂膜层的接触。反应器设计成圆筒状，与平板反应器相比，提高了光的利用率。
所述光催化剂膜层的制备方法包括如下步骤：
(1)制备光催化剂乳浊液：
将TiO2光催化剂置于蒸馏水中，质量比例为1:200-1:2000，磁力搅拌0.5-4h，然后超声分散0.5-2h，配制成悬浊液，加入氨水调节pH至8.0，使悬浊液进一步分散为乳浊液；本工艺采用氨水调节pH至8.0，与已有工艺对比，制备的乳浊液分散更均匀，因此，制备的催化剂膜层分布更加均匀，克服了因膜层厚度和均匀性而影响光催化性能的缺陷。
(2)制光催化剂膜层：
将预处理的活性炭纤维浸入TiO2乳浊液中，保持10-30min，以9-12cm/min的均匀速度提拉出液面，60℃恒温干燥箱中干燥10-20min，重复以上过程1-4次，105℃恒温干燥箱中干燥1-2h。
该工艺利用了活性炭纤维的高孔隙度以及表面富含多种基团的特性，提高了TiO2的负载量，增加了活性位点，同时，提高了对挥发性有机污染物的吸附固定能力，增强了净化效果。本工艺与溶胶凝胶法等已有方法相比，省去了高温煅烧步骤，过程简单，节约能源。
更进一步的，所述步骤(2)中的活性炭纤维设置为圆筒形结构。
更进一步的，所述步骤(2)中预处理的活性炭纤维的处理方法为：将活性炭纤维于去离子水中浸泡、洗涤3次，每次30min，105℃恒温干燥。
进一步的，所述反应釜壳体选用不锈钢材质制备而成。
进一步的，所述反应釜壳体的直径为10-20cm，高度为20-30cm。
进一步的，所述反应釜壳体的顶盖设置有温度计口和湿度计口，二者的直径均设置为1cm。
本发明的有益效果为：
本发明开发了一种内置光源式光催化去除挥发性有机污染物的反应器。二氧化钛催化剂固定于高孔隙度以及表面富含多种基团的活性炭纤维上，提高了TiO2的负载量，增大了活性表面积，有利于有机污染物的吸附与反应。该反应器气流进入方向为斜向流，气流运动方式为螺旋上升，提高了传质效果，增强了与催化剂膜层的接触。反应器设计成圆筒状，与平板反应器相比，提高了光的利用率，净化效率提高了大约11.59％。
附图说明
图1为光催化净化挥发性有机污染物的装置的示意图。
图2为光催化净化挥发性有机污染物的装置的平面图及气体流向。
其中，1、进气口；2、温度计口；3、湿度计口；4、出气口；5、反应釜外壳；6、催化剂膜层；7、紫外灯。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
实施例1
如图1和图2所示，一种光催化降解空气中挥发性有机污染物的装置，包括反应器壳体5，其选用不锈钢材质制备而成。不透光，避免紫外光外泄，同时，能保证良好的密闭性。反应器壳体5的直径为20cm，高度为30cm，反应器壳体的顶盖设置有直径分别为1cm的温度计口2和湿度计口3，便于安装温度计和湿度计，壳体距底端2cm处开设斜向进入的进气口1，距顶端2cm处开垂直出气口4，进气口1和出气口4的直径均设置为0.5cm，壳体的中心位置放置功率为6W，波长为254nm的紫外灯7，壳体内部距离光源10cm距离呈圆周放置筒形的光催化剂膜层6。
实施例2
在实施例1的基础上，一种光催化净化挥发性有机污染物的光催化剂膜层的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)制备光催化剂乳浊液：将TiO2光催化剂置于蒸馏水中，质量比例为1:200，磁力搅拌3h，然后超声分散0.5h，配制成悬浊液，加入氨水调节pH至8.0，使悬浊液进一步分散为乳浊液；
(2)活性炭纤维预处理：采用圆筒形结构的活性炭纤维，表面积较大，有利于增加其与空气中有机污染物的吸附面积，先将活性炭纤维于去离子水中浸泡、洗涤3次，每次30min，105℃恒温干燥；
(3)制光催化剂膜层：将预处理的活性炭纤维浸入TiO2乳浊液中，保持20min，以9cm/min的均匀速度提拉出液面，60℃恒温干燥箱中干燥20min，重复以上过程4次，105℃恒温干燥箱中干燥1h。
实施例3
在实施例1的基础上，一种光催化净化挥发性有机污染物的光催化剂膜层的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)制备光催化剂乳浊液：将TiO2光催化剂置于蒸馏水中，质量比例为1:1000，磁力搅拌0.5h，然后超声分散2h，配制成悬浊液，加入氨水调节pH至8.0，使悬浊液进一步分散为乳浊液；
(2)活性炭纤维预处理：采用圆筒形结构的活性炭纤维，表面积较大，有利于增加其与空气中有机污染物的吸附面积，先将活性炭纤维于去离子水中浸泡、洗涤3次，每次30min，105℃恒温干燥；
(3)制光催化剂膜层：将预处理的活性炭纤维浸入TiO2乳浊液中，保持10min，以10cm/min的均匀速度提拉出液面，60℃恒温干燥箱中干燥10min，重复以上过程3次，105℃恒温干燥箱中干燥1.5h。
实施例4
在实施例1的基础上，一种光催化净化挥发性有机污染物的光催化剂膜层的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)制备光催化剂乳浊液：将TiO2光催化剂置于蒸馏水中，质量比例为1:2000，磁力搅拌4h，然后超声分散1h，配制成悬浊液，加入氨水调节pH至8.0，使悬浊液进一步分散为乳浊液；
(2)活性炭纤维预处理：采用圆筒形结构的活性炭纤维，表面积较大，有利于增加其与空气中有机污染物的吸附面积，先将活性炭纤维于去离子水中浸泡、洗涤3次，每次30min，105℃恒温干燥；
(3)制光催化剂膜层：将预处理的活性炭纤维浸入TiO2乳浊液中，保持15min，以12cm/min的均匀速度提拉出液面，60℃恒温干燥箱中干燥15min，重复以上过程4次，105℃恒温干燥箱中干燥2h。
以上所述并非是对本发明的限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实质范围的前提下，还可以做出若干变化、改型、添加或替换，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
实施例2-4应用至本申请中的光催化降解空气中挥发性有机污染物的装置和普通的平板反应器的降解率检测结果如表1所示。表1
20min 40min 60min 80min 100min
实施例2 59.37％ 70.52％ 80.33％ 87.29％ 92.55％
实施例3 55.49％ 65.77％ 77.61％ 85.36％ 90.64％
实施例4 51.22％ 63.44％ 73.59％ 81.97％ 85.36％
平板反应器 50.63％ 61.38％ 72.59％ 79.21％ 80.96％

Claims (6)

1.一种光催化净化挥发性有机污染物的装置，其特征在于，包括反应器壳体，壳体距底端1-2cm处开设斜向进入的进气口，距顶端1-2cm处开垂直出气口，进气口和出气口的直径均设置为0.5-1.0cm，壳体的中心位置放置功率为6-10W，波长为254nm的紫外灯，壳体内部距离光源5-10cm距离呈圆周放置筒形的光催化剂膜层；
所述光催化剂膜层的制备方法包括如下步骤：
(1)制备光催化剂乳浊液：
将TiO2光催化剂置于蒸馏水中，质量比例为1:200-1:2000，磁力搅拌0.5-4h，然后超声分散0.5-2h，配制成悬浊液，加入氨水调节pH至8.0，使悬浊液进一步分散为乳浊液；
(2)制光催化剂膜层：
将预处理的活性炭纤维浸入TiO2乳浊液中，保持10-30min，以9-12cm/min的均匀速度提拉出液面，60℃恒温干燥箱中干燥10-20min，重复以上过程1-4次，105℃恒温干燥箱中干燥1-2h。
2.根据权利要求1所述一种光催化净化挥发性有机污染物的装置，其特征在于，所述步骤(2)中的活性炭纤维设置为圆筒形结构。
3.根据权利要求1所述一种光催化净化挥发性有机污染物的装置，其特征在于，所述步骤(2)中预处理的活性炭纤维的处理方法为：将活性炭纤维于去离子水中浸泡、洗涤3次，每次30min，105℃恒温干燥。
4.根据权利要求1所述一种光催化净化挥发性有机污染物的装置，其特征在于，所述反应釜壳体选用不锈钢材质制备而成。
5.根据权利要求1所述一种光催化净化挥发性有机污染物的装置，其特征在于，所述反应釜壳体的直径为10-20cm，高度为20-30cm。
6.根据权利要求1所述一种光催化净化挥发性有机污染物的装置，特征在于，所述反应釜壳体的顶盖设置有温度计口和湿度计口，二者的直径均设置为1cm。
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