CN108479796B - 一种光催化剂和挥发性有机物的净化设备及其净化方法 - Google Patents
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Abstract
本申请属于工业废气净化技术领域，具体涉及一种光催化剂和挥发性有机物的净化设备及其净化方法。本发明所提供的光催化剂为锰、钴、铁、铜或锌掺杂的二氧化钛复合光催化剂，不仅制备工艺简单优化，而且其可高效降解烷烃类挥发性有机物，降解时间短，可应用于烷烃类挥发性有机物的净化中。本申请所提供的烷烃类挥发性有机物的净化设备包括紫外灯管、臭氧供给系统和光催化剂，利用紫外光、臭氧和光催化剂的协同作用；烷烃类挥发性有机物与光催化剂充分接触，大大提高了紫外光和臭氧的利用率，集降解、矿化、稳定为一体，即使低浓度烷烃类挥发性有机物也具有较高的降解和矿化效率，操作简单。
Description
技术领域
本发明属于工业废气净化技术领域，具体涉及一种光催化剂和挥发性有机物的净化设备及其净化方法，尤其涉及一种挥发性有机物的净化方法。
背景技术
随着工业的飞速发展，大气污染变得越来越严重。挥发性有机物(VOCs)是一类重要的大气污染物，它们不仅可以通过光化学反应形成二次污染物，是细颗粒物的重要前驱体，其中有些VOCs还对人体具有致癌作用。烷烃类VOCs是一类主要的VOCs，同时也是石油化工行业的重要污染物，对从业工人和周边居民毒害极大，因此，如何有效消除烷烃类VOCs污染是目前国际研究热点。
烷烃类VOCs的常用处理方法包括：物理法、化学法和生物法等。以活性炭吸附法为代表的物理方法虽然对烷烃类VOCs的净化性能表现够好，但是却面临着吸附剂吸附饱和以及不易脱附等二次污染问题。生物法也存在着过程维护复杂，对环境稳定性要求大，对疏水性烷烃类VOCs处理效果差等缺点。以高级氧化为代表的化学法虽然也可以降解工业废气中的大部分VOCs，但是其技术单一，对烷烃类VOCs的降解效率不是十分的理想。这主要是因为相比于其他种类的VOCs，烷烃类VOCs中C-C和C-H健的键能相对较高，需要更长的反应时间才能将其断开，采用目前常规使用的TiO2光催化剂，其降解和矿化活性较低而且容易失活。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种光催化剂，应用于净化挥发性有机物，其具体技术方案如下：
一种光催化剂，所述光催化剂包括多孔基体和二氧化钛复合材料，所述二氧化钛复合材料负载于所述多孔基体的表面；其制备方法包括：
将过渡金属盐、二氧化钛和水按质量比1 : (10~100) : (50~100)混合，超声5~60min，接着在10~100rpm下搅拌30~720min，得到混合溶液；
将所述多孔基体置于所述混合溶液中，浸渍30~720min后在40~300℃反应1~20h，即得。
优选的，所述二氧化钛复合材料的负载量为0.1~2.0g；
所述多孔基体的孔径为0.1~2.0mm，孔隙率为60%~98%；
所述过渡金属盐选自锰、钴、铁、铜或锌的盐；
所述多孔基体为泡沫金属、泡沫陶瓷或泡沫碳材料。
一种挥发性有机物的净化设备，包括：光催化反应器、臭氧供给系统、样品供给系统和紫外灯管，所述光催化反应器上设有进气口和出气口，所述臭氧供给系统连接所述光催化反应器；
所述光催化反应器为中空结构，其内壁上负载有上述光催化剂，所述紫外灯管设于所述光催化反应器的中央。
优选的，所述臭氧供给系统和所述样品供给系统通过三通接头连接所述进气口；
所述紫外灯管的紫外光波长为365nm、254nm和185nm中的一种或几种；
优选的，上述净化设备还包括：尾气检测系统，所述尾气检测系统连接所述出气口。
优选的，所述光催化反应器的内壁上设有用于固定所述光催化剂的固定支架。
优选的，所述光催化反应器包括盖体和本体，所述盖体盖合所述本体；所述紫外灯管的一端固定于所述盖体，另一端伸入所述本体的中空部分。
一种挥发性有机物的净化方法，基于上述净化设备，将挥发性有机物通入所述光催化反应器中，在所述光催化剂、紫外和臭氧的协同作用下，所述挥发性有机物氧化降解。
优选的，所述氧化降解的温度为5~30℃；所述氧化降解的相对湿度为30%~70%。
优选的，所述挥发性有机物的浓度为10~500ppm；所述挥发性有机物的流速为0.1-10L/min；所述臭氧的浓度为1~500ppm。
优选的，所述挥发性有机物选自戊烷、己烷或庚烷中的一种或多种。
综上所述，本申请提供的光催化剂为锰、钴、铁、铜或锌掺杂的二氧化钛复合光催化剂，不仅制备工艺简单优化，而且其可高效降解烷烃类VOCs，降解时间短，可应用于烷烃类挥发性有机物的氧化降解中。本申请还提供了一种应用于烷烃类VOCs净化处理的净化设备，净化设备中包括紫外灯管、臭氧供给系统和光催化剂，利用紫外光、臭氧和光催化剂的协同作用。本发明所提供的净化方法基于上述净化设备，烷烃类VOCs与光催化剂充分接触，大大提高了紫外光和臭氧的利用率，集降解、矿化、稳定为一体，即使低浓度烷烃类VOCs也具有较高的降解和矿化效率，操作简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1 为本发明挥发性有机物的净化设备的结构示意图；
图2 己烷降解效率和生产二氧化碳的浓度曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
实施例1
1、光催化剂的制备
（1）将硫酸锰、TiO2和水按质量比1 : 10 : 20混合，超声30min后，得到透明的第一混合溶液；
（2）将第一混合溶液在50rpm的转速下搅拌200min，得到第二混合溶液；
（3）将泡沫镍放入第二混合溶液中，浸渍120min后，用锡箔纸将上述润湿的泡沫镍密封后并在40℃反应5h，得到Mn掺杂TiO2复合材料负载于泡沫镍表面上形成的光催化剂。
2、构建挥发性有机物的设备
如图1所示，本发明的净化设备包括：光催化反应器、臭氧供给系统、样品供给系统和紫外灯管，所述光催化反应器为中空结构，其内壁上负载有光催化剂，所述紫外灯管设于所述光催化反应器的中央；光催化反应器上设有进气口和出气口，臭氧供给系统和样品供给系统通过三通接头连接进气口。
其中，光催化反应器选为流化床反应器，其内壁上设有用于固定所述光催化剂的固定支架；光催化反应器包括盖体和本体，盖体盖合本体；紫外灯管的一端固定于盖体，另一端伸入本体的中空部分。
光催化剂包括多孔基体和二氧化钛复合材料，二氧化钛复合材料负载于多孔基体的表面，多孔基体上二氧化钛复合材料的负载量优选为0.1~2.0g。
二氧化钛复合材料为过渡金属掺杂二氧化钛形成的复合材料，过渡金属为选自锰、钴、铁、铜或锌。其中，本实施例的过渡金属选为锰。
多孔基体选自泡沫金属、泡沫陶瓷或泡沫碳材料，孔径为0.1~2.0mm，孔隙率为60%~98%。
样品供给系统用于供给挥发性有机物，包括依次通过管道连接的风机、储存罐、配制罐、第一流量调节装置和第一流量计量装置。
臭氧供给系统用于供给臭氧，包括依次通过管道连接的臭氧发生器、第二流量调节装置和第二流量计量装置。
光催化反应器的外壁上设有紫外调节按钮，使用时可根据实际情况调节紫外灯管的紫外光波长，使得紫外光波长为365nm、254nm和185nm中的一种或多种。
出气口沿光催化反应器的轴向方向向上倾斜15°，进气口沿光催化反应器的轴向方向向下倾斜15°，如此，使得检测样品中的挥发性有机物能更充分地与光催化反应器上负载的催化剂接触反应。
在本实施例中，出气口连接尾气检测系统，用于检测样品经过降解处理的尾气成分。进一步的，本实施例尾气检测系统采用臭氧检测装置和高效气相色谱仪，臭氧检测装置检测尾气中的臭氧浓度，高效气相色谱仪检测尾气中的二氧化碳浓度以及未降解完全的VOCs浓度。
经测定，采用本实施例的设备，挥发性有机物（VOCs）的平均去除率可达80%和矿化率可达50%。
3、降解挥发性有机物
（1）打开风机，风机往盛有戊烷的储存罐通入相对湿度为30%的空气，带动戊烷吹进配制罐中，并进一步通过第一流量调节装置和第一流量计量装置调节戊烷的浓度为10ppm，使其处于较低的水平。
（2）打开臭氧发生器，使得臭氧通入光催化反应器中，并进一步通过第二流量调节装置和第二流量计量装置调节臭氧浓度为1ppm。
（3）将配制罐中的戊烷气体以0.1L/min的流速通入5℃光催化反应器中，在臭氧、254nm紫外光和光催化剂（二氧化钛复合材料的负载量为0.1g）的协同作用下将挥发性有机物分解为有机物或矿化为CO2，进而完成对工业挥发性有机物的净化。
（4）将尾气检测系统连接设在光催化反应器上的出气口，测定尾气中臭氧、VOCs和CO2的浓度。
测定结果显示，采用本实施例的方法，戊烷的降解率达到70%，二氧化碳生成量为400ppm。
与现有技术相比，本实施例的净化设备中紫外光、光催化剂、臭氧与反应物能充分接触，大大提高了紫外光和臭氧的利用率，使低浓度烷烃类VOCs的降解和矿化具有较高的效率，并且装置操作简单，易于催化剂装卸；本实施例的净化方法和净化设备能够将空气中的多种低浓度烷烃类VOCs高效降解和矿化为无毒无害的CO2和H2O；本发明的净化方法和设备不受工业废气浓度变化、湿度温度等的影响，净化过程除了臭氧无需添加任何物质参与反应，从源头上避免了二次污染产生。
实施例2
1、光催化剂的制备
（1）将氯化钴、TiO2和水按质量比1 : 100 : 100混合，超声5min后，得到透明的第一混合溶液；
（2）将第一混合溶液在100rpm的转速下搅拌30min，得到第二混合溶液；
（3）将泡沫陶瓷放入第二混合溶液中，浸渍720min后，用锡箔纸将上述润湿的泡沫陶瓷密封后并在300℃反应20h，得到Co掺杂TiO2复合材料负载于泡沫陶瓷表面上形成的光催化剂。
2、构建挥发性有机物的设备
此步骤与实施例1的区别在于：光催化剂为Co掺杂TiO2复合材料；其余地方与实施例1基本相似，此处不再一一赘述。
经测定，采用本实施例的设备，挥发性有机物（VOCs）的平均去除率可达75%和矿化率可达45%。
3、降解挥发性有机物
此步骤与实施例1的区别在于：挥发性有机物选为庚烷，庚烷气体样品中的空气湿度为60%，庚烷气体样品中的庚烷浓度为500ppm；臭氧浓度为500ppm；降解温度为30℃；庚烷气体样品的流速为10L/min；二氧化钛复合材料的负载量为2.0g；紫外灯管的紫外光波长为254nm和185nm。其余地方与实施例1基本相似，此处不再一一赘述。
测定结果显示，采用本实施例的方法，庚烷的降解率达到80%，二氧化碳生成量为800ppm。
实施例3
1、光催化剂的制备
（1）将硝酸铁、TiO2和水按质量比1 : 10 : 50混合，超声60min后，得到透明的第一混合溶液；
（2）将第一混合溶液在10rpm的转速下搅拌360min，得到第二混合溶液；
（3）将泡沫碳材料放入第二混合溶液中，浸渍30min后，用锡箔纸将上述润湿的泡沫碳材料密封后并在100℃反应1h，得到Fe掺杂TiO2复合材料负载于泡沫碳材料表面上形成的光催化剂。
2、构建挥发性有机物的设备
此步骤与实施例1的区别在于：光催化剂为Fe掺杂TiO2复合材料；其余地方与实施例1基本相似，此处不再一一赘述。
经测定，采用本实施例的设备，挥发性有机物（VOCs）的平均去除率可达70%和矿化率可达40%。
3、降解挥发性有机物
此步骤与实施例1的区别在于：挥发性有机物选为己烷，己烷气体样品中的空气湿度为70%，己烷气体样品中的己烷浓度为50ppm；臭氧浓度为50ppm；降解温度为20℃；己烷气体样品的流速为2L/min；二氧化钛复合材料的负载量为0.2g；紫外灯管的紫外光波长为365nm。其余地方与实施例1基本相似，此处不再一一赘述。
图2为己烷降解效率和生产二氧化碳的浓度曲线，图2结果显示，采用本实施例的方法，己烷的降解率达到75%，二氧化碳生成量为600ppm。
Claims (6)
1.一种己烷净化方法，其特征在于，包括：将己烷通入净化设备的光催化反应器中，在所述光催化剂、紫外灯和臭氧的协同作用下，所述己烷氧化降解；
所述净化设备包括：
光催化反应器、臭氧供给系统、样品供给系统和紫外灯管，所述光催化反应器上设有进气口和出气口，所述臭氧供给系统连接所述光催化反应器；
所述光催化反应器为中空结构，其内壁上负载有光催化剂，所述紫外灯管设于所述光催化反应器的中央；
所述光催化剂包括多孔基体和二氧化钛复合材料，所述二氧化钛复合材料负载于所述多孔基体的表面；其制备方法包括：
（1）将硝酸铁、TiO2和水按质量比1 : 10 : 50混合，超声60min后，得到透明的第一混合溶液；
（2）将所述第一混合溶液在10rpm的转速下搅拌360min，得到第二混合溶液；
（3）将泡沫碳材料放入所述第二混合溶液中，浸渍30min后，用锡箔纸将上述润湿的泡沫碳材料密封后并在100℃反应1h，得到Fe掺杂TiO2复合材料负载于泡沫碳材料表面上形成的光催化剂；
所述二氧化钛复合材料的负载量为0.2g；
所述多孔基体的孔径为0.1~2.0mm，孔隙率为60%~98%；
所述多孔基体为泡沫碳材料；
所述出气口沿所述光催化反应器的轴向方向向上倾斜15℃；
所述进气口沿所述光催化反应器的轴向方向向下倾斜15℃。
2.根据权利要求1所述的己烷净化方法，其特征在于，所述臭氧供给系统和所述样品供给系统通过三通接头连接所述进气口；
所述紫外灯管的紫外光波长为365nm。
3.根据权利要求1所述的己烷净化方法，其特征在于，还包括：尾气检测系统，所述尾气检测系统连接所述出气口。
4.根据权利要求1所述的己烷净化方法，其特征在于，所述光催化反应器包括盖体和本体，所述盖体盖合所述本体；所述紫外灯管的一端固定于所述盖体，另一端伸入所述本体的中空部分；
所述光催化反应器的内壁上设有用于固定所述光催化剂的固定支架。
5.根据权利要求1所述的己烷净化方法，其特征在于，所述氧化降解的温度为20℃；所述氧化降解的相对湿度为70%。
6.根据权利要求1所述的己烷净化方法，其特征在于，所述己烷的浓度为50 ppm；所述己烷的流速为2L/min；所述臭氧的浓度为50ppm。
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