CN108771964A - 一种纳米氧化亚铜微电解除臭装置 - Google Patents

一种纳米氧化亚铜微电解除臭装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米氧化亚铜微电解除臭装置，涉及废气处理领域，该装置包括加湿区域、微电解反应床和物料回收区；恶臭气体首先通过加湿区域，通过喷淋电解质溶液，使其在微电解反应区域内能更好的发生反应；在微电解反应区内，填充物为铸铁屑、纳米氧化亚铜和活性炭粒的混合物。首先利用纳米氧化亚铜高效吸附恶臭物质，而后利用铁碳混合物进行微电解，具体涉及到1)原电池反应、2)氧化还原反应、3)絮凝、吸附沉淀反应和4)微电场附集效应等化学反应，将恶臭气体进行去除。此外纳米氧化亚铜还具有良好的催化特性，能够加强铁碳微电解。本发明装置结构简单，操作维修简便，经济性好，适用性好，去除率高。

Description

一种纳米氧化亚铜微电解除臭装置
技术领域
本发明涉及废气处理领域，具体涉及一种纳米氧化亚铜微电解除臭装置。
背景技术
本发明装置从技术原理上看，联合应用了纳米氧化亚铜的吸附能力和催化作用以及铁碳微电解原理。
纳米材料从广义上说，是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围内(1-100nm)或者以它们作为基本结构单元构成的材料的总称。而当粒子的尺寸减小到纳米尺度时，纳米材料的性能就会表现出强烈的尺寸依赖性，这种依赖性使得纳米材料的物理性质和化学性质有别于宏观物质，材料的熔点、化学活性、催化活性、光学性能、电学性能、磁学性能及力学性能等都会发生相应的变化，这主要是由纳米材料的四个效应引起的。1)表面效应2)量子尺寸效应3)小尺寸效应4)宏观量子隧道效应。正是纳米材料具有许多优良的特性，使得其在污染控制领域具有良好的应用前景，目前正广泛应用于水、气治理领域中。
纳米氧化亚铜作为P型半导体材料，具有活性的空穴-电子对，具有量子效应，同时也具有纳米材料表面积巨大、表面能极高等特性，体现出良好的光电子转换性、催化活性、强大的吸附性、杀菌活性、低温顺磁性等。
1)纳米氧化亚铜的吸附性能
纳米氧化亚铜因为其作为纳米材料，具有极大的比表面积，因此具有很强的吸附性。对H2S、O3等有十分强大的吸附作用，可用于除臭剂、有害气体清除、有色溶液脱色等诸多领域。
2)纳米氧化亚铜的催化活性
早在1998年Hara和Jongh等就已经将纳米氧化亚铜用于水的光解。今年来。发现纳米氧化亚铜复合材料可以使催化性能进一步优化，纳米氧化亚铜可以在可见光照下降解甲基橙，并且当其与纳米Ag形成Ag/Cu2O复合物后，其光催化甲基橙分解效果得到了很大的提高，可能是由于纳米Ag的引入对纳米氧化亚铜空穴-电子对产生了影响。因此纳米氧化亚铜对于光电反应具有良好的催化活性。
纳米微电解材料采用多种功能材料,通过制备、焙烧、形貌加工及成型而制得。该材料在收到外界压力变化、高温或紫外线红外线等射线能量时,材料除压热电性可以产生电场外,磁性材料本身也可以形成电场,可永久自发地产生大量的羟基负离子。利用羟基离子的氧化特性，还原一系列的有毒有害的废气。
其机理化学公式如下:
2H++2e-→2[H]→H2 (2)
OH-e-→·OH (3)
铁碳微电解技术具有适用范围广、使用寿命长、处理效果好、成本低廉及操作维护方便等优点。铁碳微电解的处理方法主要是通过原电池反应、氧化还原、絮凝、吸附沉淀和微电场附集效应等交互作用来去除废水中的污染物。其中涉及到的反应有1)原电池反应2)氧化还原反应3)絮凝、吸附沉淀反应4)微电场附集效应。
1)原电池反应：
在电解质溶液中，铁与碳形成原电池。铁、氧化亚铜为阳极，发生氧化反应：
Fe-2e-→Fe2+，E0(Fe2+/Fe)＝-0.44V (5)
Fe2+-e-→Fe3+，E0(Fe3+/Fe2+)＝+0.77V (6)
碳为阴极，发生还原反应，且反应条件不同，还原产物不同。
厌氧条件下：
2H++2e-→H2，E0(H+/H2)＝0 (7)
酸性有氧条件下：
O2+4H++4e-→2H2O，E0(O2/H2O)＝+1.23V (8)
O2+2H++2e-→H2O2，E0(O2/H2O2)＝+0.68V (9)
中性、弱碱性有氧条件下：
O2+2H2O+4e-→4OH-，E0(O2/OH-)＝+0.40V (10)
2)氧化还原反应：
由于FeO、Fe2+和H2具有较强的还原性能，能与废气中许多氧化性能较强的离子或化合物发生氧化还原反应，从而降低污染物的毒性或降解成小分子有机物甚至是CO2和H2O。如毒性较强的氧化态Cr207 2-能被还原成毒性较弱的还原态Cr3+，难降解的硝基苯能被还原成苯胺等。
3)絮凝、吸附沉淀反应：
铁碳微电解反应体系中产生的Fe2+和Fe3+形成的氢氧化物胶体是很好的絮凝剂，对废气中的小颗粒物起到吸附架桥的作用，使污染物团聚，产生共沉淀，从而去除废气中的有毒有害物质。另外，Fe2+和Fe3+也会和一些无机物发生反应生成沉淀而去除这些无机物，如与S2-和CN-等反应生成FeS、Fe3[Fe(CN)6]2、Fe4[Fe(CN)6]3等。
4)微电场附集效应：
在铁碳微电解反应体系中，阴阳两极间可形成微电场，且两极的电位差越大，微电场作用越强烈。在微电场作用下，废气中分散的带电粒子、胶体颗粒、极性分子及细小污染物等会发生电泳，向相反电荷的电极方向移动并富集在电极上，形成大颗粒沉降物后实现去除。
现有技术中，对恶臭气体的处理存在着处理不彻底，成本高等问题。
发明内容
为解决恶臭气体除臭的问题，本发明提出了一种纳米氧化亚铜微电解除臭装置去处理气体中的恶臭。
本发明为达到以上目的，是通过以下的技术方案来实现的：
一种纳米氧化亚铜微电解除臭装置，废气经由加湿区域I加湿后经由微电解反应床II进行反应将废气中的恶臭物质转化为无臭物质，经过微电解反应床II的气体进入到物料回收区III，在物料回收区III内被气流裹挟的基质经挡板阻挡拦截后，回收至微电解反应床II继续使用。
进一步的，所述加湿区域I包括盐水和加湿系统；所述盐水置于加湿区域I内；经由加湿系统喷淋到恶臭气体上，以提高恶臭气体的湿度及导电性。
进一步的，所述微电解反应床II包括布气板、反应床基质和微电解电压表；所述布气板用来分割加湿区域I与微电解反应床II；所述反应床基质填充在微电解反应床II内，微电解电压表用来测量微电解反应床II内的电压。
进一步的，所述物料回收区III包括穿孔布气板、挡板、倒锥形挡板、锥形挡板和多孔布气板；所述穿孔布气板用来分割微电解反应床II与物料回收区III；所述挡板置于物料回收区III内用于对气体的导流；挡板上方设置有倒锥形挡板；多孔布气板置于倒锥形挡板上方并通过锥形挡板支撑。
进一步的，所述加湿区域I还包括加液孔，通过加液孔来补充加湿区域I的盐水。
进一步的，所述微电解反应床II还包括人孔用来观察微电解反应床II的反应情况。
进一步的，所述微电解反应床II内填充铸铁屑、纳米氧化亚铜与活性炭颗粒组成的反应基质，纳米氧化亚铜颗粒粒径20-100nm，活性炭颗粒粒径3-5mm，铸铁铁屑粒径1-5mm，三者体积比为1:10:10。
进一步的，所述加湿区域I中废气与盐水结合使恶臭气体的湿度达80％-95％。
进一步的，所述多孔布气板与穿孔布气板的开孔率为7.8％-14.6％。
有益效果：
1.通过设定人孔可方便的观察微电解反应床II内的工作情况，同时也是更换反应床基质的窗口。
2.挡板对上升气流所裹挟的基质物质进行阻挡，使其回落至微电解反应床继续使用。挡板的倾斜角为30°。倒锥形挡板可将挡板间的气流进行合理分配，稳定气流运动。锥形挡板的可为多孔导流板提供支撑位置，防止物料返混。
3.布气板、穿孔布气板、多孔布气板的作用是，均匀布气与控制气体流速。
4.恶臭气体首先通过加湿区域，通过喷淋电解质溶液，使其在微电解反应区域内能更好的发生反应。在微电解反应区内，填充物为铸铁屑、纳米氧化亚铜和活性炭粒的混合物。首先利用纳米氧化亚铜高效吸附恶臭物质，而后利用铁碳混合物进行微电解。
附图说明
附图1为本发明涉及到的一种纳米氧化亚铜微电解除臭装置的结构示意图。
附图标记如下：
1止回阀、2盐水、3加液孔、4加湿系统、5布气板、6反应床基质、7人孔、8微电解电压表、9穿孔布气板、10挡板、11倒锥形挡板、12锥形挡板、13多孔布气板、I-加湿区域、II-微电解反应床、III-物料回收区。
具体实施方式
如附图1所示，本发明的微电解除臭装置，包括加湿区域I、微电解反应床II和物料回收区III三部分；其内部件包括止回阀1、盐水2、加液孔3、加湿系统4、布气板5、反应床基质6、人孔7、微电解电压表8、穿孔布气板9、挡板10、倒锥形挡板11、锥形挡板12、多孔布气板13。本发明的净化装置分为三个主要的工作区域。
首先是加湿区域I，在此区域内，通过加湿系统4向待处理的废气中喷淋盐水2，加强气体的导电能力，有助于后续微电解反应的进行。其中加湿系统包括微孔喷淋头、输液管路、水泵以及盐水储罐。加湿系统可根据微电解反应床所需气流湿度，适当调节水泵的功率大小，故而需要采用变频水泵，从而实现对于加湿质量的调控。在加湿区域底部，有一带坡度的收集槽，槽底部有一管路与加湿区域外部的盐水储液罐相连通，管路中设置有单向止回阀1，只允许盐水单方向的从加湿区域收集槽内向盐水储液罐流动，进而实现了喷淋出的多余盐水的回收利用。在盐水储液罐外壁设置有盐水2的加液孔3，当储罐内盐水液位过低时，可以适当进行加液补充。
恶臭气体通过鼓风机鼓气进入装置，首先进入加湿区域I中，通过喷淋含NaCl或其他电解质的盐水2，使气体加湿并富含电解质，后续的微电解反应中加强导电性能。
而后气体进入微电解反应床II，其中填充的反应床基质6为纳米氧化亚铜、活性炭颗粒与铁屑。该区域接通电源后铁碳在湿润电解质溶液环境下发生一系列的反应与效应，首先利用纳米氧化亚铜的强大的吸附性和催化活性，而后通过铁碳间的1)原电池反应2)氧化还原反应3)絮凝、吸附沉淀反应4)微电场附集效应。
纳米氧化亚铜纳米形态比表面积大，能够良好的吸附分子态的物质，将恶臭气体中的恶臭物质吸附固定在反应床体中。同时纳米氧化亚铜的催化活性可以有助于铁碳之间微电解反应，铁碳反应产生具有氧化还原特性的OH自由基以及FeO、Fe2+和H2，通过这些具有氧化还原特性的物质，能够对于臭气中的诸如NH3、H2S、甲硫醇、甲硫醚等物质进行氧化还原，转化为其他物质，从而去除气体中的恶臭。
通过微电解反应区域铁、铜、碳的联合作用，装置对受处理气体进行除臭的物化联合反应。经处理后的气体继续向上流动，经过物料回收区III，将气体中可能所裹挟的铁、铜、碳固体粉末通过挡板阻挡回收至反应区，重复使用。
微电解反应床II设置有一微电解电压表8对床体内电压进行测定，当微电解反应床II工作电压小于0.9V时，则视为微电解反应床II基质老化，需要对其进行更换作业。
最后洁净的处理后气体从上部排放口离开本装置。
在本发明装置中，气流分布板是保证反应器具有良好和稳定流化态的重要构建，其设计的合理性对于不稳定不均匀流态的流化床反应器尤其重要。气流分布板的板型较多，常见的有多孔板、风型、多管式等类型。本发明装置选用结构简单、适用性较好的多孔型布气板。对于布气板，最重要的设计参数即是对于布气板开孔率的确定，这将直接关系到气流的分布均与以及整流稳定。
而后，湿润的含有大量电解质的带处理气体进入微电解反应床II中，该区域是本发明装置的主反应区，通过此区域内反应基质所具有的良好的表面性能，吸附带有恶臭的物质，同时此区域内会发生一系列的氧化还原与电解电场综合反应，产生大量具有氧化性的物质，通过联合作用进而达到净化消除的目的。在此区域内填充的反应床基质6为纳米氧化亚铜、铸铁屑和活性炭粒，三者的体积比1:10:10。首先该区域内的纳米氧化亚铜，可以充分利用其纳米材料表面性能优异，具有优秀的吸附能力，吸附恶臭气体中的有毒有害物质，进而与铁碳微电解反应生成的OH自由基相互作用，去除与转化有毒有害物质。同时，纳米氧化亚铜具有良好的催化活性，能够有力促进铁碳反应的进行。而后铁、碳混合物在该微电解区域主要产生原电池反应产生大量具有强氧化性的OH自由基，能够对恶臭气体例如NH3、H2S、甲硫醇、甲硫醚等进行氧化还原从而去除或转化为无臭气体。此外通过电解产生絮凝、吸附沉淀反应以及微电场附集效应，对于恶臭气体中的有毒有害物质进行消除与转化。
最后，气体进入物料回收区III，此区域设计的目的就是为了保证为微电解反应区内的反应能够尽可能完全进行，废气能够在物料回收区的腔体内继续与所裹挟的基质物质进行反应。设置挡板10和将腔体设计成曲折式的目的是为了将气体中所裹挟的基质物质进行拦截回收，在腔体的上下两部分各设置一块斜置的挡板，能够对被气流裹挟的基质物质进行两次拦截。尽可能的将物料阻挡并回收至微电解反应床，保证对于基质物质的有效利用，同时也是为了处理后气体的清洁不含杂质，避免对环境造成二次污染。
加湿系统4的作用是对进入装置底部的气体进行喷淋加湿，使气体中富含电解质，有利于后续的微电解反应的进行。加湿系统4包括加湿泵、喷淋头、导液管路、盐水储罐以及底部液体收集回收区域。止回阀1的作用是，使底部液体回收区域内的盐水能够进入盐水储罐中，而盐水储罐中液体不回流倒灌。加液孔3的作用是，对盐水储罐中的盐水进行补充作业的窗口。
微电解电压表8的作用是，对于微电解反应床II内的工作电压进行测定，当工作电压小于0.9V时，则需要对基质进行更换。人孔7的作用是，观察微电解反应床II内的工作情况，同时也是更换反应床基质的窗口。
挡板10的作用是，对上升气流所裹挟的基质物质进行阻挡，使其回落至微电解反应床继续使用。挡板的倾斜角为30°。倒锥形挡板11的作用是，将挡板10间的气流进行合理分配，稳定气流运动。锥形挡板11的作用是为多孔导流板提供支撑位置，防止物料返混。
布气板5、穿孔布气板9、多孔布气板13的作用是，均匀布气与控制气体流速。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种纳米氧化亚铜微电解除臭装置，其特征在于：废气经由加湿区域I加湿后经由微电解反应床II进行反应将废气中的恶臭物质转化为无臭物质，经过微电解反应床II的气体进入到物料回收区III，在物料回收区III内被气流裹挟的反应床基质经挡板阻挡拦截后，回收至微电解反应床II继续使用。
2.根据权利要求1所述的纳米氧化亚铜微电解除臭装置，其特征在于：所述加湿区域I包括盐水(2)和加湿系统(4)；所述盐水(2)置于加湿区域I内；经由加湿系统(4)喷淋到恶臭气体上，以提高恶臭气体的湿度及导电性。
3.根据权利要求1所述的纳米氧化亚铜微电解除臭装置，其特征在于：所述微电解反应床II包括布气板(5)、反应床基质(6)和微电解电压表(8)；所述布气板(5)用来分割加湿区域I与微电解反应床II；所述反应床基质(6)填充在微电解反应床II内，微电解电压表(8)用来测量微电解反应床II内的电压。
4.根据权利要求1所述的纳米氧化亚铜微电解除臭装置，其特征在于：所述物料回收区III包括穿孔布气板(9)、挡板(10)、倒锥形挡板(11)、锥形挡板(12)和多孔布气板(13)；所述穿孔布气板(9)用来分割微电解反应床II与物料回收区III；所述挡板(10)置于物料回收区III内用于对气体的导流；挡板(10)上方设置有倒锥形挡板(11)；多孔布气板(13)置于倒锥形挡板(11)上方并通过锥形挡板(12)支撑。
5.根据权利要求2所述的纳米氧化亚铜微电解除臭装置，其特征在于：所述加湿区域I还包括加液孔(3)，通过加液孔(3)来补充加湿区域I的盐水(2)。
6.根据权利要求3所述的纳米氧化亚铜微电解除臭装置，其特征在于：所述微电解反应床II还包括人孔(7)用来观察微电解反应床II的反应情况。
7.根据权利要求1或者3所述的纳米氧化亚铜微电解除臭装置，其特征在于：所述微电解反应床II内填充铸铁屑、纳米氧化亚铜与活性炭颗粒组成的反应床基质，纳米氧化亚铜颗粒粒径20-100nm，活性炭颗粒粒径3-5mm，铸铁铁屑粒径1-5mm，三者体积比为1:10:10。
8.根据权利要求2所述的纳米氧化亚铜微电解除臭装置，其特征在于：所述加湿区域I中废气与盐水(2)结合使废气的湿度达80％-95％。
9.根据权利要求4所述的纳米氧化亚铜微电解除臭装置，其特征在于：所述多孔布气板(13)与穿孔布气板(9)的开孔率为7.8％-14.6％。
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