CN108392961B - 纳米气泡有机废气处理方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种纳米气泡有机废气处理方法及系统。所述纳米气泡有机废气处理系统，包括水池，所述水池中的水添加有具有稳定气泡功能的纳米固体粒子。本发明所述纳米气泡有机废气处理系统，成本低廉，使用周期长，利用纳米气泡的特性，打碎有机污染物聚合分子基团，通过产生自由基离子快速氧化分解和降解有机废气，衍生的废料处理简单，无二度污染，适用于多种有机物，如乙酸乙酯、甲苯类、三甲胺、甲硫醚等废气的处理。

Description

纳米气泡有机废气处理方法及系统
技术领域
本发明属于废气处理技术领域，具体涉及一种纳米气泡有机废气处理方法及系统。
背景技术
早在19世纪，研究者们就已经利用流体力学和物理学开始了对毫米级气泡在液体中生成、上升过程的研究。上世纪50年代，在化工领域开始了对气泡和液滴的研究。两相流(气液、液液)特别是气液分散相的基础现象的研究成果，极大的促进了化工机械的大规模应用，气泡的微细化是化学工业中促进物质移动，增进化学反应速度的关键技术，但当时尚未出现能够应用于化工领域的微纳米气泡发生技术和手段。
微纳米气泡发生技术是20世纪90年代后期产生的，其制造方法包括旋回剪切、加压溶解、电化学、微孔加压、混合射流等方式，均可在一定条件下产生微纳米级的气泡。
通常我们把气体在液体中的存在现象称作气泡。气泡的形成现象，在自然界中的许多过程中都能遇到，当气体在液体中受到剪切力的作用时就会形成大小、形状各不相同的气泡。目前，对气泡的分类与定义并不是十分严格，按照从小到大的顺序可分为厘米气泡(CMB)、毫米气泡(MMB)、微米气泡(MB)、微纳米气泡(MNB)、纳米气泡(NB)。所谓的微米气泡，是指气泡发生时直径在10微米左右到数百纳米之间的气泡，这种气泡是介于微米气泡和纳米气泡之间，具有常规气泡所不具备的物理与化学特征。
微纳米气泡的产生具有以下方法：
(1)超声空化：液体中的微小气泡核在超声波作用下产生振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、闭合、振荡等一系列动力学过程称超声波空化作用。存在于液体中的微气泡(空化核)在超声场的作用下振动、生长开兀断聚集声场能量，当能量到达某个阀值时，微气泡将急剧崩溃闭合。
(2)水力空化：在液体经过的管道某处人为制造低压强、高流速的状态，当液体压小于饱和蒸汽压时，液体中的气泡就会兀断膨胀，体积变大。而随着流体运动，气泡到达高压强、低流速区域之后，气泡就会塌缩、爆裂。
(3)声致发光：巨大超声波能量产生微气泡时，微气泡内部的温度可以超过10万摄氏度，过程中会发出瞬间闪光的现象，称为声致发光。
纳米微气泡具有空化效应。其中，△p代表压力上升的数值，σ代表表面张力，r代表气泡半径。直径在0.1mm以上的气泡所受压力很小可以忽略，而直径10μm的微小气泡会受到0.3个大气压的压力，而直径1μm的气泡会受高达3个大气压的压力。
微纳米气泡约在0.1μs的时间里急剧崩溃，将释放出巨大的能量，产生速度约为110m/s、有强大冲击力的微射流，使碰撞密度高达1.5kg/cm2.现象气泡在急剧崩溃的瞬间产生局部高温高压(5000K,1800atm),冷却速度可达109K\s—诚、称之为：空化效应。
微纳米气泡具有以下特征：
1比表面积大
气泡的体积和表面积的关系可以通过公式表示，气泡的体积公式为V＝4π/3r3,气泡的表面积公式为A＝4πr2,两公式合并可得A＝3V/r,即VΩ＝n*A＝3VΩ/r.也就是说，在总体积不变(V不变)的情况下，气泡总的表面积与单个气泡的直径成反比。根据公式，10微米的气泡与1毫米的气泡相比较，在一定体积下前者的比表面积理论上是后者的100倍。空气和水的接触面积就增加了100倍，各种反应速度也增加了100倍。
2上升速度慢
根据斯托克斯定律，气泡在水中的上升速度与气泡直径的平方成正比。气泡直径越小则气泡的上升速度越慢。从气泡上升速度与气泡直径的关系图可知，气泡直径1mm的气泡在水中上升的速度为6m/min，而直径10μm的气泡在水中的上升速度为3mm/min，后者是前者的1/2000.如果考虑到比表面积的增加，微纳米气泡的溶解能力比一般空气增加20万倍。
3自身增压溶解
水中的气泡四周存有气液界面，而气液界面的存在使得气泡会受到水的表面张力作用。对于具有球形界面的气泡，表面张力能压缩气泡内的气体，从而使更多的气泡内的气体溶解到水中。微纳米气泡在水中的溶解是一个气泡逐渐缩小的过程，压力的上升会增加气体的溶解速度，伴随着比表面积的增加，气泡缩小的速度会变的越来越快，从而最终溶解到水中，理论上气泡即将消失时的所受压力为无限大。
4表面带电
纯水溶液是由水分子以及少量电离生成的H和OH组成，气泡在水中形成的气液界面具有容易接受H和OH的特点，而且通常阳离子比阴离子更容易离开气液界面，而使界面常带有负电荷。已经带上电荷的表面一般倾向于吸附介质中的反离子，特别是高价的反离子，从而形成稳定的双层电。微气泡的表面电荷产生的电势差常利用ζ电位来表征，ζ电位是决定气泡界面吸附性能的重要因素。当微纳米气泡在水中收缩时，电荷离子在非常狭小的气泡界面上得到了快速浓缩富集，表现为ζ电位的显著增加，到气泡破裂前在界面处可形成非常高的ζ电位值。
5产生大量自由基
微气泡破裂瞬间，由于气液界面消失的剧烈变化，界面上聚集的高浓度离子将积蓄的化学能一下子释放出来，此时可激发产生大量的羟基自由基。羟基自由基具有超高的氧化还原电位，其产生的超强氧化作用可降解水中正常条件下难以氧化分解的污染物如苯酚等，实现对水质的净化作用。
6传质效率高
气液传质是许多化学和生化工艺的限速步骤。研究表明，气液传质速率和效率与气泡直径成反比，微气泡直径极小，在传质过程中比传统气泡具有明显优势。当气泡直径小时，微气泡界面处的表面张力对气泡特性的影响表现得较为显著。这时表面张力对内部气体产生了压缩作用，使得微气泡在上升过程中不断收缩并表现出自身增压效应。微气泡在其体积収缩过程中，由于比表面积及内部气压不断增大，使得更多的气体穿过气泡界面溶解到水中，且随着气泡直径的减小表面张力的作用效果也越来越明显，最终内部压力到达一定极限值而导致气泡界面破裂消失。因此，微气泡在收缩过程中的这种自身增压特性，可使气液界面处传质效率得到持续增强，并且这种特性使得微气泡即使在水体中气体含量达到过饱和条件时，仍可继续进行气体的传质过程并保持高效的传质效率。
7气体溶解率高
微纳米气泡具有上升速度慢、自身增压溶解的特点，使得微纳米气泡在缓慢的上升过程中逐步缩小成纳米级，最后消减湮灭融入水中，从而能够大大提高气体(空气、氧气、臭氧、二氧化碳等)在水中的溶解度。对于普通气泡，气体的溶解度往往受环境压力的影响和限制存在饱和溶解度。在标准环境下，气体的溶解度很难达到饱和溶解度以上。而纳米微气泡由于其内部的压力高于环境压力，使得以大气压为假定条件计算的气体过饱和溶解条件得以打破。
优势对比：
Figure BDA0001609525660000041
处理效果：
Figure BDA0001609525660000051
注：NMP是指N-甲基吡咯烷酮；在工业中回收是靠溶剂或真空减压法回收的。
微纳米气泡的应用包括：有机废气(VOCs)处理、污水处理、水产养殖、无土栽培、果蔬清洗、洗浴保健、生态修复等；目前微纳米气泡处理有机废气(VOCs)主要应用在：
1、印制电路板厂烤炉、隧道炉有机废气；
2、漆厂、油漆厂、印染厂、制药厂、家具厂；
3、化工行业废气：树脂，PVC塑胶厂等；
4、喷漆行业废气：家具、铝型材、汽车喷涂、家电喷涂等；
5、低(高)VOCs、高浓度臭气：木纹纸厂、食品厂等。
此基于超氧微纳米气泡技术的有机废气处理系统可以实现90％以上的有机废气(VOCs)处理效率，也可以更高。能达到国家、地方及行业规定的有机废气排放标准。
真正实现：
1、高效率：90％以上的处理效率，也可以更高，达标排放。
2、低能耗：设备运行消耗相对较少的电力和水。
3、占地少：单套设备占地约5m3.
4、保安全:无明火产生，消除着火，爆炸隐患。
5、真环保：不添加药剂，杜绝二次污染。
6、自动化：采用PLC控制，自动化运行，实现无人值守工作。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题之一是提供一种纳米气泡有机废气处理系统，改变有机废气难以降解从而导致环境污染的现状。
本发明目的是通过如下技术方案实现的：
本发明公开了一种纳米气泡有机废气处理系统，包括水池，所述水池中的水添加有具有稳定气泡功能的纳米固体粒子，纳米固体粒子与水的质量比是1：(10～50)。
优选地，本发明所述纳米气泡有机废气处理系统，还包括进风管道、抽风机、连接管及出风管道，有机废气经过进风管道进入抽风机，再由抽风机排出到连接管中进入水池水面上方，有机废气与水池水面接触后经由出风管道排放到外部大气，在出风管道上面设置有空气质量检测口；在连接管和/或出风管道前方设置用于喷洒含有纳米气泡水滴的喷淋头，喷淋头喷出的水滴吸附有机废气中的污染物后落入水池中，水池中的水进入过滤装置中除去水中大颗粒固体物后进入气液混合泵输入端；喷淋头的另一端设置喷淋管道，气液混合泵的输出端与喷淋管道连接，在喷淋管道上设置调节阀以调节流量，水经过喷淋管道的出口进入所述喷淋头；所述水池底部设置纳米气泡发生装置。
本发明所述纳米气泡有机废气处理系统的工作原理是：有机废气与含水纳米气泡的水滴接触，所有的疏水性物质被吸附在气泡的表面，利用小水滴的浮出分离，使得有机废气中的溶剂挥发排走；而有机废气中的固体物质如树脂等，吸收气泡不断被压坏破裂释放出的能量，进一步被聚合干燥发生沉降，沉降物几乎都不溶于水，因此只需要在后续的处理过程中通过过滤除去即可。
所述纳米气泡的气体载体为空气、氧气或者臭氧中的一种或多种，气体载体通过气液混合泵输入。
所述纳米气泡的粒径为200～500nm。
所述纳米固体粒子为二氧化硅或者改性二氧化硅、二氧化锆、氧化铝、四氧化三铁、磷酸钙中的一种或几种的混合物。优选地，所述纳米固体粒子为改性二氧化硅和四氧化三铁以质量比2：1组成的混合物。
现有技术中的纳米二氧化硅由于表面存在大量的活性羟基，极易形成氢键，使得其非常容易团聚和结块，限制了其在有机介质中的分散性。本发明提供一种纳米二氧化硅的制备方法，所述纳米二氧化硅粒径分布窄，分散比较均匀。
所述二氧化硅的制备方法为：将5～7g蒸馏水、112～116mL环己烷、20～25mL正己醇、28～30mL壬基酚聚氧乙烯醚加入到反应容器中，于20～25℃以190～230转/分钟搅拌30～40分钟；然后加入9.8～10g正硅酸乙酯，继续以190～230转/分钟搅拌5～6小时；随后加入1.4～1.7mL质量分数为25％的氨水，以190～230转/分钟搅拌16～20小时后，加入15～18mL无水乙醇，以190～230转/分钟搅拌5～10分钟，收集反应液；将反应液以2000～4000转/分钟离心10～20分钟，收集底部沉淀；将底部沉淀用底部沉淀重量50～70倍的无水乙醇洗涤后，于40～50℃、真空度0.06～0.08MPa的条件下干燥5～12小时，得到所述二氧化硅。
气泡是一种热力学不稳定的体系，因此，如若想到达到稳定气液两相界面的目的，添加的纳米固体粒子需要具有较小的表面能和一定的润湿性。但是在调控润湿性的过程中，纳米固体粒子的疏水性太强或者亲水性太强都不利于气泡的形成和稳定。因此，选择合适的活性剂对纳米粒子进行改性非常重要。本发明中尝试采用沸点比较高价格相对比较便宜的辛基三甲氧基硅烷对二氧化硅进行表面修饰，获得具有界面活性的二氧化硅粒子。
所述改性二氧化硅的制备过程为：将5～7g蒸馏水、112～116mL环己烷、20～25mL正己醇、28～30mL壬基酚聚氧乙烯醚加入到反应容器中，于20～25℃以190～230转/分钟搅拌30～40分钟；然后加入9.8～10g正硅酸乙酯，继续以190～230转/分钟搅拌5～6小时；随后加入1.4～1.7mL质量分数为25％的氨水，以190～230转/分钟搅拌16～20小时后，加入15～18mL无水乙醇，以190～230转/分钟搅拌5～10分钟，收集反应液；将反应液以2000～4000转/分钟离心10～20分钟，收集底部沉淀；将底部沉淀用底部沉淀重量50～70倍的无水乙醇洗涤后，于40～50℃、真空度0.06～0.08MPa的条件下干燥5～12小时，得到二氧化硅；将20～30mL甲苯投入到烧瓶中，加入1.6～2.3g辛基三甲氧基硅烷，混合均匀，得到混合液；准确称取10～12g二氧化硅加入到混合液中，于100～105℃以190～230转/分钟搅拌反应4～5小时；将反应液自然冷却至20～25℃，以2000～4000转/分钟离心分离15～20分钟，收集底部固体；将底部固体依次用底部固体重量20～50倍的甲苯和底部固体重量50～70倍的无水乙醇洗涤后，于40～50℃、真空度0.06～0.08MPa的条件下干燥5～12小时，得到改性二氧化硅。
在一些实施例中，所述四氧化三铁的制备过程为：将0.8～1g FeCl3·6H2O和20～30mL无水乙醇投入反应容器中，在190～230转/分钟的搅拌作用下加入2～2.3g醋酸钠、1.3～1.6g十二烷基硫酸钠和0.3～0.5g聚乙二醇，以190～230转/分钟搅拌40～50分钟，得到混合物；将混合物转移高压反应釜中，密封高压反应釜，于180～190℃保温反应60～72小时；将反应产物自然冷却至20～25℃，以3000～4000转/分钟离心10～20分钟，收集底部沉淀；将底部沉淀用底部沉淀重量80～100倍的无水乙醇洗涤后，于50～60℃、真空度0.07～0.09MPa的条件下干燥6～8小时，得到所述四氧化三铁。
在一些实施例中，所述四氧化三铁的制备过程为：将0.8～1g FeCl3·6H2O和20～30mL无水乙醇投入反应容器中，在190～230转/分钟的搅拌作用下加入2～2.3g醋酸钠、1.3～1.6g十二烷基硫酸钠和0.3～0.5g聚乙二醇，以190～230转/分钟搅拌40～50分钟，得到混合物；将混合物转移高压反应釜中，密封高压反应釜，于180～190℃保温反应60～72小时；将反应产物自然冷却至20～25℃，以3000～4000转/分钟离心10～20分钟，收集底部沉淀；将底部沉淀用底部沉淀重量80～100倍的无水乙醇洗涤后，于50～60℃、真空度0.07～0.09MPa的条件下干燥6～8小时，得到黑色固体；将0.8～1g黑色固体与28～36mL蒸馏水混合，在超声功率200～300W、超声频率25～30kHz的条件下分散15～20分钟；随后加入9～12mL浓度0.002～0.003g/mL的谷氨酸水溶液，在190～230转/分钟搅拌作用下采用摩尔浓度1～2mol/L的盐酸调节pH至1～2，继续在超声功率200～300W、超声频率25～30kHz的条件下分散10～20分钟，得到分散液；将分散液于50～60℃以3000～3600转/分钟搅拌反应5～6分钟后，自然冷却至20～25℃，以3000～4000转/分钟离心10～20分钟，收集底部沉淀；将底部沉淀用底部沉淀重量80～100倍的无水乙醇洗涤后，于50～60℃、真空度0.07～0.09MPa的条件下干燥6～8小时，得到所述四氧化三铁。
本发明所要解决的技术问题之二是提供一种纳米气泡有机废气处理方法。
本发明所述纳米气泡有机废气处理方法，将有机废气输送至上述任一项所述纳米气泡有机废气处理系统，然后进行处理。
本发明所述纳米气泡有机废气处理系统，成本低廉，使用周期长，利用纳米气泡的特性，打碎有机污染物聚合分子基团，通过产生自由基离子快速氧化分解和降解有机废气，衍生的废料处理简单，无二度污染，适用于多种有机物，如乙酸乙酯、甲苯类、三甲胺、甲硫醚等废气的处理。
具体实施方式
实施例1
纳米气泡有机废气处理系统，包括进风管道、抽风机、连接管、水池及出风管道，有机废气经过进风管道进入抽风机，再由抽风机排出到连接管中进入水池水面上方，有机废气与水池水面接触后经由出风管道排放到外部大气，在出风管道上面设置有空气质量检测口；在连接管和/或出风管道前方设置用于喷洒含有纳米气泡水滴的喷淋头，喷淋头喷出的水滴吸附有机废气中的污染物后落入水池中，水池中的水进入过滤装置中除去水中大颗粒固体物后进入气液混合泵输入端；喷淋头的另一端设置喷淋管道，气液混合泵的输出端与喷淋管道连接，在喷淋管道上设置调节阀以调节流量，水经过喷淋管道的出口进入所述喷淋头；所述水池底部设置纳米气泡发生装置，水池中的水添加有具有稳定气泡功能的二氧化硅，二氧化硅和水的质量比是1:30。所述纳米气泡的气体载体为臭氧，气体载体通过气液混合泵输入。
所述二氧化硅的制备方法为：将5g蒸馏水、112mL环己烷、22mL正己醇、28mL壬基酚聚氧乙烯醚加入到反应容器中，于25℃以190转/分钟搅拌30分钟；然后加入10g正硅酸乙酯，继续以190转/分钟搅拌6小时；随后加入1.5mL质量分数为25％的氨水，以190转/分钟搅拌20小时后，加入16mL无水乙醇，以190转/分钟搅拌5分钟，收集反应液；将反应液以3000转/分钟离心20分钟，收集底部沉淀；将底部沉淀用底部沉淀重量70倍的无水乙醇洗涤后，于50℃、真空度0.08MPa的条件下干燥10小时，得到所述二氧化硅。
实施例2
纳米气泡有机废气处理系统，包括进风管道、抽风机、连接管、水池及出风管道，有机废气经过进风管道进入抽风机，再由抽风机排出到连接管中进入水池水面上方，有机废气与水池水面接触后经由出风管道排放到外部大气，在出风管道上面设置有空气质量检测口；在连接管和/或出风管道前方设置用于喷洒含有纳米气泡水滴的喷淋头，喷淋头喷出的水滴吸附有机废气中的污染物后落入水池中，水池中的水进入过滤装置中除去水中大颗粒固体物后进入气液混合泵输入端；喷淋头的另一端设置喷淋管道，气液混合泵的输出端与喷淋管道连接，在喷淋管道上设置调节阀以调节流量，水经过喷淋管道的出口进入所述喷淋头；所述水池底部设置纳米气泡发生装置，水池中的水添加有具有稳定气泡功能的改性二氧化硅，改性二氧化硅和水的质量比是1:30。所述纳米气泡的气体载体为臭氧，气体载体通过气液混合泵输入。
所述改性二氧化硅的制备方法为：将5g蒸馏水、112mL环己烷、22mL正己醇、28mL壬基酚聚氧乙烯醚加入到反应容器中，于25℃以190转/分钟搅拌30分钟；然后加入10g正硅酸乙酯，继续以190转/分钟搅拌6小时；随后加入1.5mL质量分数为25％的氨水，以190转/分钟搅拌20小时后，加入16mL无水乙醇，以190转/分钟搅拌5分钟，收集反应液；将反应液以3000转/分钟离心20分钟，收集底部沉淀；将底部沉淀用底部沉淀重量70倍的无水乙醇洗涤后，于50℃、真空度0.08MPa的条件下干燥10小时，得到二氧化硅；将25mL甲苯投入到烧瓶中，加入1.8g辛基三甲氧基硅烷，混合均匀，得到混合液；准确称取10g二氧化硅加入到混合液中，于100℃以190转/分钟搅拌反应4小时；将反应液自然冷却至25℃，以3000转/分钟离心20分钟，收集底部固体；将底部固体依次用底部固体重量30倍的甲苯和底部固体重量70倍的无水乙醇洗涤后，于50℃、真空度0.08MPa的条件下干燥10小时，得到改性二氧化硅。
实施例3
纳米气泡有机废气处理系统，包括进风管道、抽风机、连接管、水池及出风管道，有机废气经过进风管道进入抽风机，再由抽风机排出到连接管中进入水池水面上方，有机废气与水池水面接触后经由出风管道排放到外部大气，在出风管道上面设置有空气质量检测口；在连接管和/或出风管道前方设置用于喷洒含有纳米气泡水滴的喷淋头，喷淋头喷出的水滴吸附有机废气中的污染物后落入水池中，水池中的水进入过滤装置中除去水中大颗粒固体物后进入气液混合泵输入端；喷淋头的另一端设置喷淋管道，气液混合泵的输出端与喷淋管道连接，在喷淋管道上设置调节阀以调节流量，水经过喷淋管道的出口进入所述喷淋头；所述水池底部设置纳米气泡发生装置，水池中的水添加有具有稳定气泡功能的四氧化三铁，四氧化三铁和水的质量比是1:30。所述纳米气泡的气体载体为臭氧，气体载体通过气液混合泵输入。
所述四氧化三铁的制备过程为：将1g FeCl3·6H2O和28mL无水乙醇投入反应容器中，在190转/分钟的搅拌作用下加入2.2g醋酸钠、1.5g十二烷基硫酸钠和0.5g聚乙二醇，以190转/分钟搅拌40分钟，得到混合物；将混合物转移高压反应釜中，密封高压反应釜，于180℃保温反应70小时；将反应产物自然冷却至25℃，以3000转/分钟离心15分钟，收集底部沉淀；将底部沉淀用底部沉淀重量80倍的无水乙醇洗涤后，于60℃、真空度0.07MPa的条件下干燥8小时，得到所述四氧化三铁。
实施例4
纳米气泡有机废气处理系统，包括进风管道、抽风机、连接管、水池及出风管道，有机废气经过进风管道进入抽风机，再由抽风机排出到连接管中进入水池水面上方，有机废气与水池水面接触后经由出风管道排放到外部大气，在出风管道上面设置有空气质量检测口；在连接管和/或出风管道前方设置用于喷洒含有纳米气泡水滴的喷淋头，喷淋头喷出的水滴吸附有机废气中的污染物后落入水池中，水池中的水进入过滤装置中除去水中大颗粒固体物后进入气液混合泵输入端；喷淋头的另一端设置喷淋管道，气液混合泵的输出端与喷淋管道连接，在喷淋管道上设置调节阀以调节流量，水经过喷淋管道的出口进入所述喷淋头；所述水池底部设置纳米气泡发生装置，水池中的水添加有具有稳定气泡功能的四氧化三铁，四氧化三铁和水的质量比是1:30。所述纳米气泡的气体载体为臭氧，气体载体通过气液混合泵输入。
所述四氧化三铁的制备过程为：将1g FeCl3·6H2O和28mL无水乙醇投入反应容器中，在190转/分钟的搅拌作用下加入2.2g醋酸钠、1.5g十二烷基硫酸钠和0.5g聚乙二醇，以190转/分钟搅拌40分钟，得到混合物；将混合物转移高压反应釜中，密封高压反应釜，于180℃保温反应70小时；将反应产物自然冷却至25℃，以3000转/分钟离心15分钟，收集底部沉淀；将底部沉淀用底部沉淀重量80倍的无水乙醇洗涤后，于60℃、真空度0.07MPa的条件下干燥8小时，得到黑色固体；将0.8g黑色固体与32mL蒸馏水混合，在超声功率300W、超声频率25kHz的条件下分散15分钟；随后加入10mL浓度0.002g/mL的谷氨酸水溶液，在190转/分钟搅拌作用下采用摩尔浓度1mol/L的盐酸调节pH至2，继续在超声功率300W、超声频率25kHz的条件下分散20分钟，得到分散液；将分散液于50℃以3200转/分钟搅拌反应5分钟后，自然冷却至25℃，以3000转/分钟离心15分钟，收集底部沉淀；将底部沉淀用底部沉淀重量80倍的无水乙醇洗涤后，于60℃、真空度0.07MPa的条件下干燥8小时，得到所述四氧化三铁。
实施例5
纳米气泡有机废气处理系统，包括进风管道、抽风机、连接管、水池及出风管道，有机废气经过进风管道进入抽风机，再由抽风机排出到连接管中进入水池水面上方，有机废气与水池水面接触后经由出风管道排放到外部大气，在出风管道上面设置有空气质量检测口；在连接管和/或出风管道前方设置用于喷洒含有纳米气泡水滴的喷淋头，喷淋头喷出的水滴吸附有机废气中的污染物后落入水池中，水池中的水进入过滤装置中除去水中大颗粒固体物后进入气液混合泵输入端；喷淋头的另一端设置喷淋管道，气液混合泵的输出端与喷淋管道连接，在喷淋管道上设置调节阀以调节流量，水经过喷淋管道的出口进入所述喷淋头；所述水池底部设置纳米气泡发生装置，水池中的水添加有具有稳定气泡功能的纳米固体粒子，纳米固体粒子和水的质量比是1:30，其中所述纳米固体粒子为改性二氧化硅和四氧化三铁以质量比2：1组成的混合物。所述纳米气泡的气体载体为臭氧，气体载体通过气液混合泵输入。
所述改性二氧化硅的制备方法为：将5g蒸馏水、112mL环己烷、22mL正己醇、28mL壬基酚聚氧乙烯醚加入到反应容器中，于25℃以190转/分钟搅拌30分钟；然后加入10g正硅酸乙酯，继续以190转/分钟搅拌6小时；随后加入1.5mL质量分数为25％的氨水，以190转/分钟搅拌20小时后，加入16mL无水乙醇，以190转/分钟搅拌5分钟，收集反应液；将反应液以3000转/分钟离心20分钟，收集底部沉淀；将底部沉淀用底部沉淀重量70倍的无水乙醇洗涤后，于50℃、真空度0.08MPa的条件下干燥10小时，得到二氧化硅；将25mL甲苯投入到烧瓶中，加入1.8g辛基三甲氧基硅烷，混合均匀，得到混合液；准确称取10g二氧化硅加入到混合液中，于100℃以190转/分钟搅拌反应4小时；将反应液自然冷却至25℃，以3000转/分钟离心20分钟，收集底部固体；将底部固体依次用底部固体重量30倍的甲苯和底部固体重量70倍的无水乙醇洗涤后，于50℃、真空度0.08MPa的条件下干燥10小时，得到改性二氧化硅。
所述四氧化三铁的制备过程为：将1g FeCl3·6H2O和28mL无水乙醇投入反应容器中，在190转/分钟的搅拌作用下加入2.2g醋酸钠、1.5g十二烷基硫酸钠和0.5g聚乙二醇，以190转/分钟搅拌40分钟，得到混合物；将混合物转移高压反应釜中，密封高压反应釜，于180℃保温反应70小时；将反应产物自然冷却至25℃，以3000转/分钟离心15分钟，收集底部沉淀；将底部沉淀用底部沉淀重量80倍的无水乙醇洗涤后，于60℃、真空度0.07MPa的条件下干燥8小时，得到黑色固体；将0.8g黑色固体与32mL蒸馏水混合，在超声功率300W、超声频率25kHz的条件下分散15分钟；随后加入10mL浓度0.002g/mL的谷氨酸水溶液，在190转/分钟搅拌作用下采用摩尔浓度1mol/L的盐酸调节pH至2，继续在超声功率300W、超声频率25kHz的条件下分散20分钟，得到分散液；将分散液于50℃以3200转/分钟搅拌反应5分钟后，自然冷却至25℃，以3000转/分钟离心15分钟，收集底部沉淀；将底部沉淀用底部沉淀重量80倍的无水乙醇洗涤后，于60℃、真空度0.07MPa的条件下干燥8小时，得到所述四氧化三铁。
实施例中原料介绍：
环己烷，CAS号：110-82-7，由杭州杰恒化工有限公司提供。
正己醇，CAS号：111-27-3，由上海越林化学有限公司提供。
壬基酚聚氧乙烯醚，CAS号：9016-45-9，由南通辰润化工有限公司提供。
正硅酸乙酯，CAS号：78-10-4，由上海卓锐化工有限公司提供。
辛基三甲氧基硅烷，CAS号：3069-40-7，由曲阜晨光化工有限公司提供。
FeCl3·6H2O，由国药集团化学试剂有限公司提供。
醋酸钠，由百灵威科技有限公司提供。
十二烷基硫酸钠，由湖北巨胜科技有限公司提供。
聚乙二醇，分子量6000，由武汉曙欧科技有限公司提供。
谷氨酸，具体采用L-谷氨酸，CAS号：56-86-0，由上海西陇生化科技有限公司提供。
测试例1
对实施例1-5采用的纳米固体粒子的气泡起泡性能和气泡稳定性能进行测试。
将0.2g纳米固体粒子加入到2mL浓度为0.1g/mL的氯化钠水溶液中，于25℃采用集热式恒温加热磁力搅拌器(巩义市科瑞仪器有限公司提供，型号为DF101)以2400转/分钟搅拌30分钟后，观察并记录气泡体积，气泡体积以搅拌前后溶剂的体积差进行表征。然后将其置于20℃放置5分钟，观察气泡的体积有无变化。具体测试结果见表1。
表1：气泡性能测试结果表
Figure BDA0001609525660000151
从表1可以看出，本发明所述纳米固体粒子，能够减小吸附能，加强固体颗粒在气/液界面的细度，促进气泡的形成，提高气泡的稳定性。
测试例2
对实施例1-5采用的纳米固体粒子的润湿性能进行测试。润湿性通过接触角的大小进行测定，接触角的测试采用KRUSS DSA100测量仪测定。测量前将粉末样品置于4MPa下，压成1毫米厚的薄片，将薄片放置在仪器测量的平台上，使用注射器每次注射5微升的蒸馏水在样品片上，通过量角法测定并计算样品的接触角。
具体测试结果见表2。
表2：润湿性能测试结果表
Figure BDA0001609525660000152
Figure BDA0001609525660000161
从表2可以看出，本发明所述纳米固体粒子具有较好的润湿性能。亲水性非常强，不能形成起泡；疏水性非常强时，也不能形成气泡。只有作为部分疏水性的粒子才能都形成气泡。尤其是接触角越接近90°时，固体纳米材料的起泡和气泡稳定越好。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。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。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种纳米气泡有机废气处理系统，其特征在于，包括水池，所述水池中的水添加有具有稳定气泡功能的纳米固体粒子，纳米固体粒子与水的质量比是1：（10~50）；
所述纳米固体粒子为改性二氧化硅和四氧化三铁以质量比2：1组成的混合物；
所述改性二氧化硅的制备过程为：将5～7g蒸馏水、112～116mL环己烷、20～25mL正己醇、28～30mL壬基酚聚氧乙烯醚加入到反应容器中，于20～25℃以190～230转/分钟搅拌30～40分钟；然后加入9 .8～10g正硅酸乙酯，继续以190～230转/分钟搅拌5～6小时；随后加入1.4～1.7mL质量分数为25％的氨水，以190～230转/分钟搅拌16～20小时后，加入15～18mL无水乙醇，以190～230转/分钟搅拌5～10分钟，收集反应液；将反应液以2000～4000转/分钟离心10～20分钟，收集底部沉淀；将底部沉淀用底部沉淀重量50～70倍的无水乙醇洗涤后，于40～50℃、真空度0 .06～0 .08MPa的条件下干燥5～12小时，得到二氧化硅；将20～30mL甲苯投入到烧瓶中，加入1.6～2.3g辛基三甲氧基硅烷，混合均匀，得到混合液；准确称取10～12g二氧化硅加入到混合液中，于100～105℃以190～230转/分钟搅拌反应4～5小时；将反应液自然冷却至20～25℃，以2000～4000转/分钟离心分离15～20分钟，收集底部固体；将底部固体依次用底部固体重量20～50倍的甲苯和底部固体重量50～70倍的无水乙醇洗涤后，于40～50℃、真空度0.06～0.08MPa的条件下干燥5～12小时，得到改性二氧化硅；
所述四氧化三铁的制备过程为：将0.8~1g FeCl3·6H2O和20~30mL无水乙醇投入反应容器中，在190~230转/分钟的搅拌作用下加入2~2.3g醋酸钠、1.3~1.6g十二烷基硫酸钠和0.3~0.5g聚乙二醇，以190~230转/分钟搅拌40~50分钟，得到混合物；将混合物转移高压反应釜中，密封高压反应釜，于180~190℃保温反应60~72小时；将反应产物自然冷却至20~25℃，以3000~4000转/分钟离心10~20分钟，收集底部沉淀；将底部沉淀用底部沉淀重量80~100倍的无水乙醇洗涤后，于50~60℃、真空度0.07~0.09MPa的条件下干燥6~8小时，得到黑色固体；将0.8~1g黑色固体与28~36mL蒸馏水混合，在超声功率200~300W、超声频率25~30kHz的条件下分散15~20分钟；随后加入9~12mL浓度0.002~0.003g/mL的谷氨酸水溶液，在190~230转/分钟搅拌作用下采用摩尔浓度1~2mol/L的盐酸调节pH至1~2，继续在超声功率200~300W、超声频率25~30kHz的条件下分散10~20分钟，得到分散液；将分散液于50~60℃以3000~3600转/分钟搅拌反应5~6分钟后，自然冷却至20~25℃，以3000~4000转/分钟离心10~20分钟，收集底部沉淀；将底部沉淀用底部沉淀重量80~100倍的无水乙醇洗涤后，于50~60℃、真空度0.07~0.09MPa的条件下干燥6~8小时，得到所述四氧化三铁。
2.根据权利要求1所述的纳米气泡有机废气处理系统，其特征在于，还包括进风管道、抽风机、连接管及出风管道，有机废气经过进风管道进入抽风机，再由抽风机排出到连接管中进入水池水面上方，有机废气与水池水面接触后经由出风管道排放到外部大气，在出风管道上面设置有空气质量检测口；在连接管和/或出风管道前方设置用于喷洒含有纳米气泡水滴的喷淋头，喷淋头喷出的水滴吸附有机废气中的污染物后落入水池中，水池中的水进入过滤装置中除去水中大颗粒固体物后进入气液混合泵输入端；喷淋头的另一端设置喷淋管道，气液混合泵的输出端与喷淋管道连接，在喷淋管道上设置调节阀以调节流量，水经过喷淋管道的出口进入所述喷淋头；所述水池底部设置纳米气泡发生装置。
3.根据权利要求2所述的纳米气泡有机废气处理系统，其特征在于，所述纳米气泡的气体载体为空气、氧气或者臭氧中的一种或多种，气体载体通过气液混合泵输入。
4.根据权利要求2所述的纳米气泡有机废气处理系统，其特征在于，所述纳米气泡的粒径为200~500nm。
5.纳米气泡有机废气处理方法，其特征在于，将有机废气输送至权利要求1-4中任一项所述的纳米气泡有机废气处理系统，然后进行处理。
6.根据权利要求1所述的纳米气泡有机废气处理系统，其特征在于，包括进风管道、抽风机、连接管、水池及出风管道，有机废气经过进风管道进入抽风机，再由抽风机排出到连接管中进入水池水面上方，有机废气与水池水面接触后经由出风管道排放到外部大气，在出风管道上面设置有空气质量检测口；在连接管和/或出风管道前方设置用于喷洒含有纳米气泡水滴的喷淋头，喷淋头喷出的水滴吸附有机废气中的污染物后落入水池中，水池中的水进入过滤装置中除去水中大颗粒固体物后进入气液混合泵输入端；喷淋头的另一端设置喷淋管道，气液混合泵的输出端与喷淋管道连接，在喷淋管道上设置调节阀以调节流量，水经过喷淋管道的出口进入所述喷淋头；所述水池底部设置纳米气泡发生装置，水池中的水添加有具有稳定气泡功能的纳米固体粒子，纳米固体粒子和水的质量比是1:30，其中所述纳米固体粒子为改性二氧化硅和四氧化三铁以质量比2：1组成的混合物；所述纳米气泡的气体载体为臭氧，气体载体通过气液混合泵输入；
所述改性二氧化硅的制备方法为：将5g蒸馏水、112mL环己烷、22mL正己醇、28mL壬基酚聚氧乙烯醚加入到反应容器中，于25℃以190转/分钟搅拌30分钟；然后加入10g正硅酸乙酯，继续以190转/分钟搅拌6小时；随后加入1.5mL质量分数为25%的氨水，以190转/分钟搅拌20小时后，加入16mL无水乙醇，以190转/分钟搅拌5分钟，收集反应液；将反应液以3000转/分钟离心20分钟，收集底部沉淀；将底部沉淀用底部沉淀重量70倍的无水乙醇洗涤后，于50℃、真空度0.08MPa的条件下干燥10小时，得到二氧化硅；将25mL甲苯投入到烧瓶中，加入1.8g辛基三甲氧基硅烷，混合均匀，得到混合液；准确称取10g二氧化硅加入到混合液中，于100℃以190转/分钟搅拌反应4小时；将反应液自然冷却至25℃，以3000转/分钟离心20分钟，收集底部固体；将底部固体依次用底部固体重量30倍的甲苯和底部固体重量70倍的无水乙醇洗涤后，于50℃、真空度0.08MPa的条件下干燥10小时，得到改性二氧化硅；
所述四氧化三铁的制备过程为：将1g FeCl3·6H2O和28mL无水乙醇投入反应容器中，在190转/分钟的搅拌作用下加入2.2g醋酸钠、1.5g十二烷基硫酸钠和0.5g聚乙二醇，以190转/分钟搅拌40分钟，得到混合物；将混合物转移高压反应釜中，密封高压反应釜，于180℃保温反应70小时；将反应产物自然冷却至25℃，以3000转/分钟离心15分钟，收集底部沉淀；将底部沉淀用底部沉淀重量80倍的无水乙醇洗涤后，于60℃、真空度0.07MPa的条件下干燥8小时，得到黑色固体；将0.8g黑色固体与32mL蒸馏水混合，在超声功率300W、超声频率25kHz的条件下分散15分钟；随后加入10mL浓度0.002g/mL的谷氨酸水溶液，在190转/分钟搅拌作用下采用摩尔浓度1mol/L的盐酸调节pH至2，继续在超声功率300W、超声频率25kHz的条件下分散20分钟，得到分散液；将分散液于50℃以3200转/分钟搅拌反应5分钟后，自然冷却至25℃，以3000转/分钟离心15分钟，收集底部沉淀；将底部沉淀用底部沉淀重量80倍的无水乙醇洗涤后，于60℃、真空度0.07MPa的条件下干燥8小时，得到所述四氧化三铁。
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