CN108636107B - 等离子体和紫外光协同催化剂降解废气的装置和方法 - Google Patents

等离子体和紫外光协同催化剂降解废气的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种等离子体和紫外光协同催化剂降解废气的装置，包括带有进气口和出气口的反应腔，还包括：催化剂层，布置在所述反应腔内并将反应腔分隔成分别具有进气口和出气口的两部分；放电电极组件，放电电极布置在所述反应腔具有进气口的部分内，另一电极布置在所述反应腔具有出气口的部分内，加载高压高频脉冲电源后使得从进气口进入反应腔内的气体被电离、激发产生等离子体；紫外光灯管，布置在所述反应腔具有出气口的部分内；本本发明还公开了等离子体和紫外光协同催化剂降解废气的方法；本发明的装置和方法提高VOCs降解选择性，同时不产生二次污染的副产物，具有去除效率高、适用性强、废气处理成本低等优点。

Description

等离子体和紫外光协同催化剂降解废气的装置和方法
技术领域
本发明涉及的是喷涂或印刷行业中VOCs废气处理技术领域，特别涉及等离子体和紫外光协同催化剂降解废气的装置和方法。
背景技术
VOCs(volatile organic compounds)指挥发性有机化合物主要包括烃类、芳烃类、醇类、醛类、酮类、脂类、胺类和有机酸等。1989年，世界卫生组织(WHO)对总挥发性有机化合物(VOCs)的定义是熔点低于室温，沸点范围在50-260℃之间的挥发性有机化合物的总称。
VOCs在室外太阳光和热的作用下能参与氧化氮反应并形成臭氧，臭氧导致空气质量变差并且是夏季烟雾主要组分。VOCs对人体的影响可分为三种类型：
一是气味和感官，包括感官刺激，感觉干燥；
二是粘膜刺激和其它系统毒性导致的病态，刺激眼粘膜、鼻粘膜、呼吸道和皮肤等，VOCs很容易通过血液-大脑的障碍，从而导致中枢神经系统受到抑制，使人产生头痛、乏力、昏昏欲睡和不舒服的感觉；
三是基因毒性和致癌性。
目前的VOCs处理方法包括非破坏性，破坏性方法，以及这两种方法的组合。非破坏性的方法，主要是吸收，吸附，膜分离技术，冷凝，一般通过物理的方法，在温度，压力或选择性吸附和选择性渗透膜法浓缩和分离挥发性有机化合物；破坏性的方法为热氧化，直接燃烧，催化燃烧，等离子体法，生物氧化法，光催化氧化法，及其集成技术，主要是通过化学或生化反应，光，热，微生物和催化剂将挥发性有机物转化成CO2和H2O以及其他无毒的无机小分子化合物。传统的挥发性废气处理常用吸附、吸收法去除，燃烧去除等，在最近几年中，低温等离子体，半导体光催化剂的技术得到了迅速发展。
吸附法是利用吸附剂对有机废气的选择性而进行分离。最常用的吸附剂有活性炭，分子筛。硅藻土等。工艺简单，易于操控，缺点是饱和后容易脱附，容易被环境状况干涉。
吸收法是用溶液、溶剂或清水吸收工业废气中的挥发性气体，使其与废气分离。吸收法工艺比较简单，设备投资较低，操作和维修费用基本与碳吸附法相当，由于吸收介质是采用煤油和吸收液，因此没有二次污染问题。缺点是此工艺方法回收效率低，对于环保要求较高时，很难达到允许的油气排放标准；设备占地空间大；能耗高；吸收剂消耗较大，需不断补充。
冷凝法是最简单的回收技术，将废气冷却使其温度低于有机物的露点温度，使有机物冷凝变成液滴，从废气中分离出来，直接回收。但这种情况下，离开冷凝器的排放气中仍含有相当高浓度的VOCs，难以满足环境排放标准。
膜分离系统是一种高效的新型分离技术，其流程简单、回收率高、能耗低、无二次污染。缺点是投资大；膜国产率低，价格昂贵，而且膜寿命短；膜分离装置要求稳流、稳压气体，操作要求高。
生物法处理水溶性VOCs的净化效果好，反应条件温和，能耗小，无二次污染，投资和运行费用低等优点。缺点是对高浓度、生物降解性差及难生物降解的VOCs去除率低。
燃烧法分直接燃烧法和催化燃烧法。直接燃烧法适合处理高浓度VOCs的废气。缺点是其运行温度通常在800-1200℃时，工艺能耗成本较高，且燃烧尾气中容易出现二恶英、NOx等副产物。
低温等离子体法操作条件温和(常温、常压)，处理VOCs种类多(除卤代烃外)，对低浓度VOCs(＜100mg/m3)处理效率大于90％。但是单一的低温等离子体法产生较多的二次污染物(如NOx、脂肪烃、HCN、CH3CN和O3等)，而且能源效率和矿化率低。低温等离子体协同催化剂方法能量效率更高，O3浓度大大降低，CO2选择性更高，副产物种类更少和浓度更低，因而受到更大关注。
光催化氧化法具有反应条件温和(常温、常压)，无选择性地氧化VOCs，可同时降解多种小分子VOCs，投资和运行成本低，设备和操作简单等优点，特别适于处理低浓度VOCs(<100mg/m3)和NOx和O3。根据所使用的光源主波长，可分为紫外光催化氧化法和可见光催化氧化法。缺点是对高浓度VOCs处理效率一般。
目前针对喷涂或印刷行业中VOCs风量大、浓度较高等特点，采用传统的单一处理方法，均难得到理想的处理效果。
发明内容
本发明提供了一种等离子体和紫外光协同催化剂降解废气的装置，将多种降解方法有机地协同起来，充分发挥等离子体强氧化性、光催化的强氧化性与催化剂的高效催化性和选择性以及光电协同催化氧化的特点，提高VOCs降解选择性，具有去除效率高、适用性强、废气处理成本低等优点。
一种等离子体和紫外光协同催化剂降解废气的装置，包括带有进气口和出气口的反应腔，还包括：
催化剂层，布置在所述反应腔内并将反应腔分隔成分别具有进气口和出气口的两部分；
放电电极组件，放电电极布置在所述反应腔具有进气口的部分内，另一电极布置在所述反应腔具有出气口的部分内，加载高压高频脉冲电源后使得从进气口进入反应腔内的气体被电离、激发产生等离子体；
紫外光灯管，布置在所述反应腔具有出气口的部分内。紫外光灯管带有控制器。
所述催化剂层用于提高等离子体和紫外光降解VOCs废气的效果，采用新型高效脉冲等离子体与紫外光协同电光双催化剂处理VOCs废气，首先利用低温等离子体与催化剂分解大部分VOCs，再利用紫外光与催化剂来降解剩余VOCs及等离子体降解产生中间产物与二次污染物，以提高降解率、CO2选择效率和能量效率、基本杜绝二次污染，是一种很有应用前景的新型处理方法。
催化剂可以是光敏催化剂也可以是电敏催化剂，还可以是两者的组合，优选的，所述催化剂层为双层结构，朝向进气口一侧的为电敏催化剂层，朝向出气口一侧的为光敏催化剂层。电敏催化剂层布置在放电电极组件的激发场中，使低温等离子体更好地降解VOCs废气。上述结构将放电等离子体、电敏催化剂、光敏催化剂以及紫外光(UV)各自降解的优势有机结合起来，充分发挥脉冲等离子体催化氧化协同和光催化氧化的协同效应，具有反应器结构新颖，能量效率高与降解效果好、几乎无污染等特点。
为了提高催化效果，优选的，所述光敏催化剂采用BiOBr和TiO2中的至少一种为活性组分、SiO2微珠为载体的催化剂。
为了提高催化效果，优选的，所述电敏催化剂采用Cu-Mn-Ce系列催化剂。
为了提高降解效果，优选的，所述反应腔为圆柱形反应筒体，所述进气口切向开设在所述圆柱形反应筒体的侧壁上；所述出气口设置在所述圆柱形反应筒体的一侧端盖的中部。将所述进气口切向设置，切向进入的气体中的小颗粒会在惯性力作用下沉降。
具体的，圆柱形反应筒体的内径约450～900mm，长度由实际处理气体流量，按照断面平均风速1～1.5m/s，气体停留时间5s来确定。
优选的，所述放电电极采用表面带尖刺的圆柱筒型放电极，安装在所述圆柱形反应筒体中。所述放电电极连接高压脉冲电源的负极。圆柱筒型放电极直径比圆柱形反应筒体内径小5～10mm，内侧表面径向、轴向均间隔10～30mm排列设置芒刺型尖钉，尖钉长度为2～5mm。
优选的，所述紫外光灯管布置在所述圆柱筒型放电极的中心轴线上。紫外光灯管的UV的强度与波长均可调节。
优选的，所述催化剂层安装在双层催化腔中，所述双层催化腔为三层网状滤筒套装而成，最内层的网状滤筒为放电电极组件的另一电极。所述最内层滤网为脉冲电源的正极。光催化层与电催化层厚度均为20～40mm，最内层网直径约为50～70mm。网状滤筒采用直径0.3～0.8mm的不锈钢丝编织而成，网孔尺寸为边长1～2mm的棱形或方形。
所述放电电极采用圆柱状带芒刺放电极板连接高压脉冲电源的负极，所述三层滤网筒的最内层接连接高压脉冲电源的正极。上述结构具有放电强度大，放电平稳，静电场场强较均匀等优点。放电点极采用负高压供电，放电极的材料不局限于铜丝或不锈钢丝。为了使废气均匀分解，所述圆柱形反应筒体与所述三层状滤筒同轴布置。从而使废气的通过路径都基本一致，提高反应器降解的均匀性。
本发明装置使用时，由反应腔切向进口通入VOCs废气，与此同时开启UV电源以及高压高频脉冲电源器。首先由于切向进入气体中的小颗粒会在惯性力作用下沉降。等离子体，光催化反应协同发挥作用。1)在电催化层，高频脉冲放电产生大量的等离子体降解大部分VOCs，而余下的部分VOCs以及中间产物会被带上电荷进入光催化层2)进入光催化层后被UV以及光催化进一步反应矿化成H2O和CO2。
本发明是将电晕放电与紫外光催化以及电敏催化剂和光敏催化剂有效结合降解VOCs以及消除单一低温等离子体产生的二次污染物，将高压负电晕放电产生等离子体的氧化、紫外光催化氧化以及电光双催化剂耦合起来，协同降解VOCs。
高压高频脉冲圆柱状带芒刺放电极板，具有放电强度大，放电较均匀，静电场场强较均匀等优点。
光敏催化剂选择BiOBr、TiO2等为活性组分，透光性能好的SiO2微珠为载体的光敏催化剂。电敏催化剂采用Cu-Mn-Ce系列电敏催化剂，其摩尔比1.5～2.5：1.5～2.5：0.5～1.5，制成直径为3～4mm的圆形或圆柱形颗粒。
本发明借助高频脉冲放电产生的高能等离子体氧化多数VOCs，而余下的少部分VOCs与中间产物被带上电荷，在电场力的作用下不断地迁徙聚集至电敏催化剂层中被进一步反应，最后少量VOCs与残存的中间产物随气流在光催化剂层中，被UV激发的光敏催化剂所吸附完全光解。
本发明还提供了一种等离子体和紫外光协同催化剂降解废气的方法，使用上述的等离子体和紫外光协同催化剂降解废气的装置，包括以下步骤：
(1)打开紫外光灯管，将高压高频脉冲电源加载在放电电极组件上；
(2)VOCs废气从进气口进入反应腔，固体颗粒下沉，气态废气进入催化剂层；
(3)放电电极组件在反应腔内电离产生的等离子体，产生大量高能电子，自由基等将VOCs废气矿化成CO2和H2O及小分子有机物；
具体的，通过脉冲电源电离产生的等离子体，会引起一系列链式反应，产生大量高能电子，自由基等将大部分VOCs矿化成CO2和H2O及小分子有机物，同时会产生二次污染物，然后经紫外光照射产生的电子空穴产生的自由基将二次污染物与小分子有机物完全矿化。
(4)紫外光灯管照射产生的电子空穴产生的自由基进一步降解VOCs废气降解后排出出气口。
为了提高催化效果，优选的，步骤(2)中，气态废气依次进入电敏催化层和光敏催化层。
为了保证VOCs的处理效果，优选的，所述VOCs废气在从废气进口进入到废气出口排出的时间为5s左右。
本发明的有益效果：
本发明的装置和方法将电晕放电低温等离子体、UV以及催化剂有机地协同起来，充分发挥等离子体强氧化性、光催化的强氧化性与催化剂的高效催化性和选择性以及光电协同催化氧化的特点，提高VOCs降解选择性，从而实现去除效率高、不产生二次污染的副产物，克服单一等离子体产生二次污染物和单一光催化难以降解较高浓度VOCs的缺点，具有适用性强，废气处理成本低等优点，具有广阔的工业应用前景。
附图说明
图1为本发明的等离子体和紫外光协同催化剂降解废气的装置实施流程示意图。
图2为本发明的等离子体和紫外光协同催化剂降解废气的装置的结构示意图。
图3为本发明的等离子体和紫外光协同催化剂降解废气的装置横截面的结构示意图。
图4为本发明的放电电极的结构示意图。
图5为图4在A-A方向的剖视示意图。
图6为本发明的放电电极展开后的结构示意图。
具体实施方式
如图1～6所示，本实施例的等离子体和紫外光协同催化剂降解废气的装置包括：圆柱形反应筒体1，带芒刺尖钉的圆柱筒型放电极2，电敏催化剂层3，光敏催化剂层4，紫外光灯管(UV)5，高压整流器6，高压高频脉冲电源7以及紫外光灯管(UV)的控制器8。高压整流器6和高压高频脉冲电源7可以另外购买和加装。
圆柱形反应筒体1的上端开设有径向切向旋流进口作为进气口，下部端盖的中间开设有轴向气流出口作为出气口。紫外光灯管(UV)5设置在圆柱形反应筒体1的中心轴线上，UV的强度与波长均可通过控制器8调节。带芒刺尖钉的圆柱筒型放电极2设置在圆柱形反应筒体1的内部最外侧；电敏催化剂层3和光敏催化剂层4通过双层催化腔安装，双层催化腔设置在圆柱形反应筒体1内部在紫外光灯管5与圆柱筒型放电极2之间，由三层细孔网状滤筒组成，在双层催化腔内分别填充光敏催化剂(内层)形成光敏催化剂层4和电敏催化剂(外层)形成电敏催化剂层3。
圆柱形反应筒体1的内径约450mm，长度由实际处理气体流量，按照断面平均风速1～1.5m/s，气体停留时间5s来确定。
双层催化腔设置在圆柱形反应筒体1内部在紫外光灯管5与圆柱筒型放电极2之间，由三层细网状滤筒组成，从轴中心往外依次为光敏催化剂层4和电敏催化剂层3。光敏催化剂层4与电敏催化剂层3厚度均为30mm，最内层网直径约为60mm。
滤网筒是由两个直径不同尺寸的网筒套在一起。采用直径0.3～0.8mm的不锈钢丝编织而成，网孔尺寸为边长1～2mm的棱形或方形。
光敏催化剂选择BiOBr、TiO2等为活性组分，透光性能好的SiO2微珠为载体的催化剂，电敏催化剂采用Cu-Mn-Ce系列催化剂。
圆柱筒型放电极2连接高压高频脉冲电源7的负极，三层细网状滤筒的最内层滤网连接脉高压高频脉冲电源7的正极。圆柱筒型放电极2的材料不局限于铜丝或不锈钢丝。
圆柱筒型放电极2直径比圆柱体内径小5～10mm，内侧表面径向、轴向均间隔20mm排列设置芒刺型尖钉，尖钉长度为3mm。
为了使废气均匀分解，圆柱筒型放电极2与三层状滤筒同轴布置。从而使废气的通过路径都基本一致，提高反应器降解的均匀性。
光敏催化剂选择BiOBr、TiO2等为活性组分，透光性能好的SiO2微珠为载体的光敏催化剂；电敏催化剂采用Cu-Mn-Ce系列电敏催化剂。其摩尔比2：2：1，制成直径为3～4mm的圆形或圆柱形颗粒。
本实施例的等离子体和紫外光协同催化剂降解废气的方法，包括以下步骤：
(1)打开紫外光灯管(UV)5和高压高频脉冲电源7，从径向切向旋流进口通入喷涂或印刷VOCs废气(切向进入)；
(2)VOCs螺旋进入后，颗粒状态物会沉降，剩余气态废气依次进入电敏催化层3和光敏催化层4；
(3)通过高压高频脉冲电源7电离产生的等离子体，会引起一系列链式反应，产生大量高能电子，自由基等将大部分VOCs矿化成CO2和H2O及小分子有机物，同时会产生二次污染物，然后经紫外光照射产生的电子空穴产生的自由基将二次污染物与小分子有机物完全矿化；
(4)净化后气体由位于圆柱形反应筒体1下端轴中心的轴向气流出口排出。
为了保证VOCs的处理效果，VOCs废气在从径向切向旋流进口进入到轴向气流出口排出的时间为5s以上。
综上所述，本实施例将电晕放电低温等离子体、UV以及催化剂有机地协同起来，充分发挥等离子体强氧化性、光催化的强氧化性与催化剂的高效催化性和选择性以及光电协同催化氧化的特点，提高VOCs降解选择性，从而实现去除效率高、不产生二次污染的副产物，克服单一等离子体产生二次污染物和单一光催化难以降解较高浓度VOCs的缺点，具有适用性强、废气处理成本低等优点。

Claims (5)

1.一种等离子体和紫外光协同催化剂降解废气的装置，包括带有进气口和出气口的反应腔，其特征在于，还包括：
催化剂层，布置在所述反应腔内并将反应腔分隔成分别具有进气口和出气口的两部分；所述催化剂层为双层结构，朝向进气口一侧的为电敏催化剂层，朝向出气口一侧的为光敏催化剂层；所述反应腔为圆柱形反应筒体，所述进气口切向开设在所述圆柱形反应筒体的侧壁上；所述出气口设置在所述圆柱形反应筒体的一侧端盖的中部；
放电电极组件，放电电极布置在所述反应腔具有进气口的部分内，另一电极布置在所述反应腔具有出气口的部分内，加载高压高频脉冲电源后使得从进气口进入反应腔内的气体被电离、激发产生等离子体；所述放电电极采用表面带尖刺的圆柱筒型放电极；所述放电电极连接高压脉冲电源的负极， 圆柱筒型放电极直径比圆柱形反应筒体内径小5～10mm，内侧表面径向、轴向均间隔10～30mm排列设置芒刺型尖钉，尖钉长度为2～5mm；所述催化剂层安装在双层催化腔中，所述双层催化腔为三层网状滤筒套装而成，最内层的网状滤筒为放电电极组件的另一电极；
紫外光灯管，布置在所述反应腔具有出气口的部分内。
2.如权利要求1所述的等离子体和紫外光协同催化剂降解废气的装置，其特征在于，所述放电电极安装在所述圆柱形反应筒体中。
3.如权利要求1所述的等离子体和紫外光协同催化剂降解废气的装置，其特征在于，所述紫外光灯管布置在所述圆柱筒型放电极的中心轴线上。
4.一种等离子体和紫外光协同催化剂降解废气的方法，其特征在于，使用如权利要求1～3任一权利要求所述的等离子体和紫外光协同催化剂降解废气的装置，包括以下步骤：
(1)打开紫外光灯管，将高压高频脉冲电源加载在放电电极组件上；
(2)VOCs废气从进气口进入反应腔，固体颗粒下沉，气态废气进入催化剂层；
(3)放电电极组件在反应腔内电离产生的等离子体，产生大量高能电子，自由基等将VOCs废气矿化成CO2和H2O及小分子有机物；
(4)紫外光灯管照射产生的电子空穴产生的自由基进一步降解VOCs废气降解后排出出气口。
5.如权利要求4所述的等离子体和紫外光协同催化剂降解废气的方法，其特征在于，步骤(2)中，气态废气依次进入电敏催化层和光敏催化层。
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