CN108744850A - 一种电-光-热协同光催化材料净化含尘废气的装置和应用方法 - Google Patents

一种电-光-热协同光催化材料净化含尘废气的装置和应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电‑光‑热协同光催化材料净化含尘废气的装置和应用方法，属于环境保护技术领域。本发明通过高压直流电源放电产生电晕放电区域，废气中的粉尘和污染废气（SO2、H2S、COS、挥发性有机物VOCs、CS2、NOx、CH3SH、PH3、HCN、C4H4S等气态污染物）通过电晕放电区域时在高压电场下被电离后产生的负离子相结合而带上负电，在电场作用下向接地极移动，废气中的粉尘从而在接地极上被捕集，然后因为重力落到粉尘收集区内，最后从出灰口排出；而污染废气在电晕放电区域和接地极附近将被高能粒子、活性物质和高温热降解分解转化，然后到达催化反应区域进一步被净化，净化后的气体从出气口排出。本发明具有高效节能、适用范围广、结构简单等特点。

Description

一种电-光-热协同光催化材料净化含尘废气的装置和应用 方法
技术领域
本发明涉及一种电-光-热协同光催化材料净化含尘废气的装置和应用方法，属于环境保护技术领域。
背景技术
近年以来，空气污染的现象越来越严重，人们对于空气污染问题的关心程度也与日俱增，工业尾气更是空气污染物的一项主要来源。工业尾气，如焦炉煤气，黄磷尾气、水煤气等含有SO2、H2S、COS、挥发性有机物VOCs、CS2、NOx、CH3SH、PH3、HCN、C4H4S、Hg等有毒有害气体。
SO2是一种最常见的大气污染物，也是酸雨的主要成因之一。大气中二氧化硫浓度在400-500ppm时人会出现溃疡和肺水肿直至窒息死亡。噻吩（C4H4S）主要存在于原油以及其分馏得到的有机化合物中，由于噻吩的沸点为84℃，因此一般情况下噻吩为液态，但在工业生产中，很多工段的操作温度大于84℃，所以噻吩也经常以气态污染物的形式存在。噻吩气体的阈值很低，只有0.00056 ppm，会刺激呼吸粘膜，引起身体兴奋痉挛，对造血系统也有毒性作用。噻吩不仅会腐蚀设备而且燃烧产物会对环境造成严重污染。羰基硫（COS）通常状态下为有臭鸡蛋气味的无色气体，对环境污染和工业生产也会产生很大的危害。
粉尘颗粒物对大气的污染亦是我国空气污染存在的一大问题。粉尘的存在不仅会磨损工业生产设备，减少设备使用寿命，影响产品质量，而且未经处理的含尘气体排入空气还会造成环境污染，会引起雾霾等环境污染行为，对人体健康造成威胁。此外，并且大气中的粉尘与有害气体有协同作用。比如当大气中二氧化硫浓度大于0.21ppm，烟尘浓度大于0.3mg/L，可使呼吸道疾病发病率增高，慢性病患者的病情迅速恶化。
直流电晕放电技术是一种新型的产生电晕放电等离子体的方法，其原理是通过直流电晕放电产生大量高能电子和活性物质，通过高能电子的撞击和活性物质的作用将气态污染物分解转化，从而实现对工业废气中的气态污染物的净化。相较于介质阻挡放电等离子体法其电场方向稳定，对气体中的粉尘具有很好的捕集效果。
自70年代光催化反应被发现以来，利用光催化反应对大气中有毒有害气体进行净化的研究就一直延续到今。光催化作用原理是如TiO2等光催化剂在受到一定波长的光线照射后，价带中的电子会被激发到导带，从而价带上产生电子空穴，电子空穴具有很强的氧化能力，可以对气体污染物进行氧化从而使其降解。
公开号CN105396440A公开了一种使用热电晕放电催化氧化处理工业废气中VOCs的装置和方法，该方法通过等离子体的强氧化作用与热降解作用净化VOCs，最终被降解的VOCs生成的CO2和H2O。公开号CN105854593A公开了一种使用光催化技术治理废气的方法，该方法通过先对废气中的粉尘进行过滤，然后使用光催化反应对废气进行净化，并通过升高温度来去除光催化反应产生的臭氧，以此来消除二次污染。公开号CN104420950A公开了一种利用电晕放电等离子体与纳米光催化材料协同净化汽车尾气的方法，该方法采用针孔式结构放电，TiO2净化层放置于反应器外壳内表面，通过电晕放电与光催化作用净化汽车尾气。在这些研究中，没有考虑到粉尘的净化。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种电-光-热协同光催化材料净化含尘废气的装置和应用方法。本发明将电晕放电、热降解、热催化和光催化作用有效结合，对含尘废气进行净化，不仅能净化含尘废气中的污染废气，还直接收集到废气中的粉尘，不需要对废气中的粉尘进行过滤的前处理流程，具有高效节能、适用范围广、结构简单等特点。本发明通过以下技术方案实现。
一种电-光-热协同光催化材料净化含尘废气的装置，包括高压直流电源1、放电极2、进气口3、绝缘外壳4、接地极5、温度控制器6、高温加热带7、催化剂承载台9、出气口10、出灰口11和线-筒式反应器，所述线-筒式反应器外层设有绝缘外壳4，绝缘外壳4内部放置空心柱筒状接地极5，空心柱筒状接地极5外层设有高温加热带7，高温加热带7与温度控制器6连接，绝缘外壳4顶部插入且位于空心柱筒状接地极5中心位置处设有放电极2，放电极2与高压直流电源1的输出端连接，接地极5接地后构成电晕放电区域；线-筒式反应器底部且位于接地极5正下方设有直径小于接地极5直径的催化剂承载台9，催化剂承载台9上放置催化剂8构成催化反应区域，接地极5底部、催化剂承载台9外部和绝缘外壳4下端内部构成的空间构成粉尘收集区内；线-筒式反应器顶部设有进气口3，底部设有出气口10，粉尘收集区底部设有出灰口11。
所述放电极2、接地极5材质均为不锈钢。
所述绝缘外壳4材料为石英或玻璃。
所述催化剂承载台9为石英砂芯承载台，石英砂芯承载台中每个砂芯孔径为10~50μm，催化剂承载台9距离接地极5底部5~100mm。
一种电-光-热协同光催化材料净化含尘废气的装置的应用方法，其具体步骤如下：
步骤1、从线-筒式反应器顶部的进气口3通入含尘废气，放电极2与高压直流电源1的输出端连接，控制高压直流电源1电压为1~100kV、高温加热带7温度为25~650℃进行净化和收集，在接地极5上收集含尘废气中粉尘，污染废气在电晕放电区域中产生的高能电子和活性物质的作用下被转化分解，同时在接地极5上热降解污染废气进行净化；收集一段时间后粉尘从出灰口11放出。
步骤2、经步骤1净化的污染废气进入到催化反应区域净化，净化后的污染废气从出气口10放出。
所述催化剂8为钒酸铋、锐钛矿型二氧化钛、氧化锌、氧化锡、二氧化锆或者硫化镉。
上述温度控制器6、高温加热带7为能实现控制加热以及加热的公知装置，高温加热带7可以如电阻丝加热带。
上述电晕放电区域产生可见光和紫外光能为催化反应区域中催化剂8提供光源。
本发明的有益效果是：
（1）本发明通过高压直流电源放电产生电晕放电区域，废气中的粉尘和污染废气（SO2、H2S、COS、挥发性有机物VOCs、CS2、NOx、CH3SH、PH3、HCN、C4H4S等气态污染物）通过电晕放电区域时在高压电场下被电离后产生的负离子相结合而带上负电，在电场作用下向接地极移动，废气中的粉尘从而在接地极上被捕集，然后因为重力落到粉尘收集区内，最后从出灰口排出；而污染废气在电晕放电区域被直流电晕放电作用和接地极附近高温热降解分解转化，然后到达催化反应区域进一步被净化，净化后的气体从出气口排出。
（2）本发明将电晕放电、热降解、热催化和光催化作用有效结合，对含尘废气进行净化，不仅能净化含尘废气中的污染废气，还直接收集到废气中的粉尘，不需要对废气中的粉尘进行过滤的前处理流程，具有高效节能、适用范围广、结构简单等特点。
附图说明
图1是本发明装置结构示意图；
图2是本发明线-筒式反应器三维结构示意图。
图中：1-高压直流电源，2-放电极，3-进气口，4-绝缘外壳，5-接地极，6-温度控制器，7-高温加热带，8-催化剂，9-催化剂承载台，10-出气口，11-出灰口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1和2所示，该电-光-热协同光催化材料净化含尘废气的装置，包括高压直流电源1、放电极2、进气口3、绝缘外壳4、接地极5、温度控制器6、高温加热带7、催化剂承载台9、出气口10、出灰口11和线-筒式反应器，所述线-筒式反应器外层设有绝缘外壳4，绝缘外壳4内部放置空心柱筒状接地极5，空心柱筒状接地极5外层设有高温加热带7，高温加热带7与温度控制器6连接，绝缘外壳4顶部插入且位于空心柱筒状接地极5中心位置处设有放电极2，放电极2与高压直流电源1的输出端连接，接地极5接地后构成电晕放电区域；线-筒式反应器底部且位于接地极5正下方设有直径小于接地极5直径的催化剂承载台9，催化剂承载台9上放置催化剂8构成催化反应区域，接地极5底部、催化剂承载台9外部和绝缘外壳4下端内部构成的空间构成粉尘收集区内；线-筒式反应器顶部设有进气口3，底部设有出气口10，粉尘收集区底部设有出灰口11。
其中放电极2、接地极5材质均为不锈钢；绝缘外壳4材料为石英；催化剂承载台9为石英砂芯承载台，石英砂芯承载台中每个砂芯孔径为10μm，催化剂承载台9距离接地极5底部5mm；放电极2有效长度为100mm。
该电-光-热协同光催化材料净化含尘废气的装置的应用方法，其具体步骤如下：
步骤1、从线-筒式反应器顶部的进气口3通入流量为200mL/min的含尘废气（4000ppm的噻吩与高纯氮体积比为1：10，粉尘的浓度为2g/m3），放电极2与高压直流电源1的输出端连接，控制高压直流电源1电压为10kV、高温加热带7温度为650℃进行净化和收集，在接地极5上收集含尘废气中粉尘，污染废气在电晕放电区域中产生的高能电子和活性物质的作用下被转化分解，同时在接地极5上热降解污染废气进行净化；收集一段时间（1h）后粉尘从出灰口11放出。
步骤2、经步骤1净化的污染废气进入到催化反应区域中通过催化剂8（催化剂8为钒酸铋）进行光催化净化，净化后的污染废气从出气口10放出。
经过本实施例从出气口10出来的净化后的污染废气噻吩浓度为1ppm以下，噻吩去除率达到99%以上；粉尘含量在0.0001mg/m3以下，粉尘去除率达到99%以上。
实施例2
如图1和2所示，该电-光-热协同光催化材料净化含尘废气的装置，包括高压直流电源1、放电极2、进气口3、绝缘外壳4、接地极5、温度控制器6、高温加热带7、催化剂承载台9、出气口10、出灰口11和线-筒式反应器，所述线-筒式反应器外层设有绝缘外壳4，绝缘外壳4内部放置空心柱筒状接地极5，空心柱筒状接地极5外层设有高温加热带7，高温加热带7与温度控制器6连接，绝缘外壳4顶部插入且位于空心柱筒状接地极5中心位置处设有放电极2放电极2与高压直流电源1的输出端连接，接地极5接地后构成电晕放电区域；线-筒式反应器底部且位于接地极5正下方设有直径小于接地极5直径的催化剂承载台9，催化剂承载台9上放置催化剂8构成催化反应区域，接地极5底部、催化剂承载台9外部和绝缘外壳4下端内部构成的空间构成粉尘收集区内；线-筒式反应器顶部设有进气口3，底部设有出气口10，粉尘收集区底部设有出灰口11。
其中放电极2、接地极5材质均为不锈钢；绝缘外壳4材料为石英；催化剂承载台9为石英砂芯承载台，石英砂芯承载台中每个砂芯孔径为50μm，催化剂承载台9距离接地极5底部100mm；放电极2有效长度为400mm。
该电-光-热协同光催化材料净化含尘废气的装置的应用方法，其具体步骤如下：
步骤1、从线-筒式反应器顶部的进气口3通入流量为500mL/min的含尘废气（10000ppm的SO2与高纯氮体积比为1：3，粉尘的浓度为8g/m3），放电极2与高压直流电源1的输出端连接，控制高压直流电源1电压为40kV、高温加热带7温度为550℃进行净化和收集，在接地极5上收集含尘废气中粉尘，污染废气在电晕放电区域中产生的高能电子和活性物质的作用下被转化分解，同时在接地极5上热降解污染废气进行净化；一段时间（3h）后粉尘从出灰口11放出。
步骤2、经净化的直流电晕放电作用后，污染废气进入到催化反应区域中通过催化剂8（催化剂8为锐钛矿型二氧化钛）进行光催化净化，净化后的污染废气从出气口10放出。
经过本实施例从出气口10出来的净化后污染废气的SO2浓度为1ppm以下，SO2去除率达到99%以上；粉尘含量在0.0001mg/m3以下，粉尘去除率达到99%以上。
实施例3
如图1和2所示，该电-光-热协同光催化材料净化含尘废气的装置，包括高压直流电源1、放电极2、进气口3、绝缘外壳4、接地极5、温度控制器6、高温加热带7、催化剂承载台9、出气口10、出灰口11和线-筒式反应器，所述线-筒式反应器外层设有绝缘外壳4，绝缘外壳4内部放置空心柱筒状接地极5，空心柱筒状接地极5外层设有高温加热带7，高温加热带7与温度控制器6连接，绝缘外壳4顶部插入且位于空心柱筒状接地极5中心位置处设有放电极2，放电极2与高压直流电源1的输出端连接，接地极5接地后构成电晕放电区域；线-筒式反应器底部且位于接地极5正下方设有直径小于接地极5直径的催化剂承载台9，催化剂承载台9上放置催化剂8构成催化反应区域，接地极5底部、催化剂承载台9外部和绝缘外壳4下端内部构成的空间构成粉尘收集区内；线-筒式反应器顶部设有进气口3，底部设有出气口10，粉尘收集区底部设有出灰口11。
其中放电极2、接地极5材质均为不锈钢；绝缘外壳4材料为石英；催化剂承载台9为石英砂芯承载台，石英砂芯承载台中每个砂芯孔径为30μm，催化剂承载台9距离接地极5底部55mm；放电极2有效长度为200mm。
该电-光-热协同光催化材料净化含尘废气的装置的应用方法，其具体步骤如下：
步骤1、从线-筒式反应器顶部的进气口3通入流量为300mL/min的含尘废气（8000ppm的COS与高纯氮体积比为1：6，粉尘的浓度为5g/m3），放电极2与高压直流电源1的输出端连接，控制高压直流电源1电压为25kV、高温加热带7温度为450℃进行净化和收集，在接地极5上收集含尘废气中粉尘，污染废气在电晕放电区域中产生的高能电子和活性物质的作用下被转化分解，同时在接地极5上热降解污染废气进行净化；一段时间（5h）后粉尘从出灰口11放出。
步骤2、经步骤1净化的污染废气进入到催化反应区域中通过催化剂8（催化剂8为锐钛矿型二氧化钛）进行光催化净化，净化后的污染废气从出气口10放出。
经过本实施例从出气口10出来的净化后污染废气COS浓度为1ppm以下，COS去除率达到99%以上；粉尘含量在0.0001mg/m3以下，粉尘去除率达到99%以上。
实施例4
如图1和2所示，该电-光-热协同光催化材料净化含尘废气的装置，包括高压直流电源1、放电极2、进气口3、绝缘外壳4、接地极5、温度控制器6、高温加热带7、催化剂承载台9、出气口10、出灰口11和线-筒式反应器，所述线-筒式反应器外层设有绝缘外壳4，绝缘外壳4内部放置空心柱筒状接地极5，空心柱筒状接地极5外层设有高温加热带7，高温加热带7与温度控制器6连接，绝缘外壳4顶部插入且位于空心柱筒状接地极5中心位置处设有放电极2，放电极2与高压直流电源1的输出端连接，接地极5接地后构成电晕放电区域；线-筒式反应器底部且位于接地极5正下方设有直径小于接地极5直径的催化剂承载台9，催化剂承载台9上放置催化剂8构成催化反应区域，接地极5底部、催化剂承载台9外部和绝缘外壳4下端内部构成的空间构成粉尘收集区内；线-筒式反应器顶部设有进气口3，底部设有出气口10，粉尘收集区底部设有出灰口11。
其中放电极2、接地极5材质均为不锈钢；绝缘外壳4材料为石英；催化剂承载台9为石英砂芯承载台，石英砂芯承载台中每个砂芯孔径为30μm，催化剂承载台9距离接地极5底部55mm；放电极2有效长度为200mm。
该电-光-热协同光催化材料净化含尘废气的装置的应用方法，其具体步骤如下：
步骤1、从线-筒式反应器顶部的进气口3通入流量为300mL/min的含尘废气（8000ppm的COS与高纯氮体积比为1：6，粉尘的浓度为5g/m3），放电极2与高压直流电源1的输出端连接，控制高压直流电源1电压为1kV、高温加热带7温度为25℃进行净化和收集，在接地极5上收集含尘废气中粉尘，污染废气在电晕放电区域中产生的高能电子和活性物质的作用下被转化分解，同时在接地极5上热降解污染废气进行净化；一段时间（7h）后粉尘从出灰口11放出。
步骤2、经步骤1净化的污染废气进入到催化反应区域中通过催化剂8（催化剂8为锐钛矿型二氧化钛）进行光催化净化，净化后的污染废气从出气口10放出。
经过本实施例从出气口10出来的净化后污染废气COS浓度为1ppm以下，COS去除率达到99%以上；粉尘含量在0.0001mg/m3以下，粉尘去除率达到99%以上。
实施例5
如图1和2所示，该电-光-热协同光催化材料净化含尘废气的装置，包括高压直流电源1、放电极2、进气口3、绝缘外壳4、接地极5、温度控制器6、高温加热带7、催化剂承载台9、出气口10、出灰口11和线-筒式反应器，所述线-筒式反应器外层设有绝缘外壳4，绝缘外壳4内部放置空心柱筒状接地极5，空心柱筒状接地极5外层设有高温加热带7，高温加热带7与温度控制器6连接，绝缘外壳4顶部插入且位于空心柱筒状接地极5中心位置处设有放电极2，放电极2与高压直流电源1的输出端连接，接地极5接地后构成电晕放电区域；线-筒式反应器底部且位于接地极5正下方设有直径小于接地极5直径的催化剂承载台9，催化剂承载台9上放置催化剂8构成催化反应区域，接地极5底部、催化剂承载台9外部和绝缘外壳4下端内部构成的空间构成粉尘收集区内；线-筒式反应器顶部设有进气口3，底部设有出气口10，粉尘收集区底部设有出灰口11。
其中放电极2、接地极5材质均为不锈钢；绝缘外壳4材料为石英；催化剂承载台9为石英砂芯承载台，石英砂芯承载台中每个砂芯孔径为30μm，催化剂承载台9距离接地极5底部55mm；放电极2有效长度为600mm。
该电-光-热协同光催化材料净化含尘废气的装置的应用方法，其具体步骤如下：
步骤1、从线-筒式反应器顶部的进气口3通入流量为300mL/min的含尘废气（8000ppm的COS与高纯氮体积比为1：6，粉尘的浓度为5g/m3），放电极2与高压直流电源1的输出端连接，控制高压直流电源1电压为100kV、高温加热带7温度为600℃进行净化和收集，在接地极5上收集含尘废气中粉尘，污染废气在电晕放电区域中产生的高能电子和活性物质的作用下被转化分解，同时在接地极5上热降解污染废气进行净化；一段时间（9h）后粉尘从出灰口11放出。
步骤2、经步骤1净化的污染废气进入到催化反应区域中通过催化剂8（催化剂8为钒酸铋）进行光催化净化，净化后的污染废气从出气口10放出。
经过本实施例从出气口10出来的净化后污染废气COS浓度为1ppm以下，COS去除率达到99%以上；粉尘含量在0.0001mg/m3以下，粉尘去除率达到99%以上。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种电-光-热协同光催化材料净化含尘废气的装置，其特征在于：包括高压直流电源（1）、放电极（2）、进气口（3）、绝缘外壳（4）、接地极（5）、温度控制器（6）、高温加热带（7）、催化剂承载台（9）、出气口（10）、出灰口（11）和线-筒式反应器，所述线-筒式反应器外层设有绝缘外壳（4），绝缘外壳（4）内部放置空心柱筒状接地极（5），空心柱筒状接地极（5）外层设有高温加热带（7），高温加热带（7）与温度控制器（6）连接，绝缘外壳（4）顶部插入且位于空心柱筒状接地极（5）中心位置处设有放电极（2），放电极（2）与高压直流电源（1）的输出端连接，接地极（5）接地后构成电晕放电区域；线-筒式反应器底部且位于接地极（5）正下方设有直径小于接地极（5）直径的催化剂承载台（9），催化剂承载台（9）上放置催化剂（8）构成催化反应区域，接地极（5）底部、催化剂承载台（9）外部和绝缘外壳（4）下端内部构成的空间构成粉尘收集区内；线-筒式反应器顶部设有进气口（3），底部设有出气口（10），粉尘收集区底部设有出灰口（11）。
2.根据权利要求1所述的电-光-热协同光催化材料净化含尘废气的装置，其特征在于：所述放电极（2）、接地极（5）材质均为不锈钢。
3.根据权利要求1所述的电-光-热协同光催化材料净化含尘废气的装置，其特征在于：所述绝缘外壳（4）材料为石英或玻璃。
4.根据权利要求1所述的电-光-热协同光催化材料净化含尘废气的装置，其特征在于：所述催化剂承载台（9）为石英砂芯承载台，石英砂芯承载台中每个砂芯孔径为10~50μm，催化剂承载台（9）距离接地极（5）底部5~100mm。
5.一种根据权利要求1至4任意一项所述的电-光-热协同光催化材料净化含尘废气的装置的应用方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1、从线-筒式反应器顶部的进气口（3）通入含尘废气，放电极与高压直流电源（1）的输出端连接，控制高压直流电源（1）电压为1~100kV、高温加热带（7）温度为25~650℃进行净化和收集，在接地极（5）上收集含尘废气中粉尘，污染废气在电晕放电区域中产生的高能电子和活性物质的作用下被转化分解，同时在接地极（5）上热降解污染废气进行净化；粉尘从出灰口（11）放出；
步骤2、经步骤1净化的污染废气进入到催化反应区域中通过催化剂（8）进行光催化净化，净化后的污染废气从出气口（10）放出。
6.根据权利要求5所述的电-光-热协同光催化材料净化含尘废气的装置的应用方法，其特征在于：所述催化剂（8）为钒酸铋、锐钛矿型二氧化钛、氧化锌、氧化锡、二氧化锆或者硫化镉。
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