CN109865355B - 一种微旋流分离—微波无极光催化深度净化厨房油烟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种净化厨房油烟的方法，该方法将厨房油烟先通过微旋流分离器进行汇聚和粒径切割分离，去除掉部分颗粒，然后将剩余油烟通入微波无极光催化反应器，利用反应器中的微波无极光照射和催化剂降解协同作用，可以有效去除厨房油烟体系中的污染物，使得处理后的排气可以直接排放大气，该方法操作简单，净化流程短，运行能耗低，对厨房油烟的去除率较高。

Description

一种微旋流分离—微波无极光催化深度净化厨房油烟方法

技术领域

本发明属于烟气净化领域，具体涉及一种微旋流分离-微波无极光催化深度净化厨房油烟方法。

背景技术

近年来，随着我国城市化进程的快速推动，餐饮行业呈现井喷式发展，导致了厨房油烟污染的日趋严重。在高温的条件先，食用油产生大量热氧化分解产物，当发烟点达到170℃时，出现初期分解的蓝烟雾，随着温度的继续升高，分解速度加快，当温度达到250℃时，油面出现大量油烟，并伴有刺鼻气味。油烟具有气态、液态、固态三种形式，气态污染物（VOCs）与空气形成混合气体；大颗粒的液态、固态污染物分布在空气中形成可自然沉降悬浊物；小颗粒的液态、固态污染物分布在空气中形成相对稳定的气溶胶，从厨房未经处理直接排出的油烟废气同时含有上述3中形态的污染物。

相关研究表明，厨房油烟对PM2.5的贡献可达13%，已经被视作和工业废气、机动车尾气一起的城市大气污染的“三大杀手”。除此之外，厨房油烟中含有大量的NO_X/多环芳烃等“三致”物质，常规的处理技术很难进行达标处理。目前已有的厨房烟气处理技术，如等离子体处理技术、电晕放电处理技术、臭氧催化技术等，但均存在污染物综合处理效果差、不能完全达标排放，运行能耗高等缺点。

因此，亟需一种操作方便、能耗低、不易产生二次污染的厨房油烟净化方法。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现：将厨房油烟先通过微旋流分离器进行汇聚和粒径切割分离，去除掉部分颗粒，然后将剩余油烟通入微波无极光催化反应器，利用反应器中的微波无极光照射和催化剂降解协同作用，可以有效去除厨房油烟体系中的污染物，使得处理后的排气可以直接排放大气，从而完成了本发明。

具体来说，本发明的目的在于提供以下方面：

第一方面，本发明提供一种净化厨房油烟的方法，其中，该方法包括以下步骤：

步骤（1），改变厨房油烟体系的粒径，进行初步处理，除去部分油烟体系；

步骤（2），对上述初步处理后的剩余油烟体系进行二次处理，得到净化气体。

第二方面，本发明还提供用于实施上述净化厨房油烟的净化系统，包括连通的微旋流分离器和微波无极光催化反应器。

本发明所具有的有益效果包括：

（1）本发明提供的净化厨房油烟的方法，通过微旋流作用对厨房油烟中的液滴进行高效汇聚，能够把一部分微小粒径液滴汇聚成较大粒径液滴，减少了微小粒径液滴的总量，同时能够利用微旋流作用对微小粒径液滴进行切割，将粒径大于5μm的烟气液滴分离出来；

（2）本发明提供的净化厨房油烟的方法，操作简单，流程短，运行能耗低，对厨房油烟的去除率较高，处理后的油烟可以直接排放至大气；

（3）本发明提供的净化厨房油烟的方法，剩余油烟在微波无极光的作用下，催化剂载体上负载的活性组分氧化铜和氧化锰能够高效去除油烟中的挥发性有机化合物（VOC），同时铜和锰能够吸收无极光自身产生热量，使整个反应系统能够维持较高的反应温度，无需外界加热，降低了运行成本；

（4）本发明提供的净化厨房油烟的方法，所述催化剂的活性组分采用特定配比的廉价金属氧化物，不需要添加贵金属或稀土元素，就能起到良好的催化降解效果，生产成本低；

（5）本发明提供的净化厨房油烟的方法，所述催化剂的制备工艺简单，操作可控，活性组分采用等体积浸渍法一步负载到载体上，能够准确定量且分布均匀；

（6）本发明提供的净化厨房油烟的方法，所述催化剂在焙烧过程中，采用匀速升温的方法，制得的催化剂性能稳定。

附图说明

图1为本发明所述的净化厨房油烟的系统。

附图标号说明：

1-进料口；

2-溢流管；

3-溢流弯头；

4-进料箱；

5-筒体；

6-上锥体；

7-下锥体；

8-沉降口；

9-微波无极光催化反应器；

10-微波无极光源；

11-环隙；

12-催化剂；

13-尾气出口。

具体实施方式

下面通过优选实施方式和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

根据本发明的第一方面，提供了一种净化厨房油烟的方法，该方法包括以下步骤：

步骤（1），改变厨房油烟体系的粒径，进行初步处理，除去部分油烟体系。

根据本发明一种优选的实施方式，所述厨房油烟的初步处理在微旋流分离器中进行，利用微旋流作用改变厨房油烟的粒径。

其中，所述厨房油烟主要包括油气液滴和水汽液滴。

在进一步优选的实施方式中，将所述厨房油烟通入微旋流分离器，所述微旋流分离器的入口风速为5~25m/s，压力降为0.01~0.03MPa。

本发明人经过研究发现，一般情况下，微旋流分离器的进口速度越快，效率越高，但是过高的气速会分散颗粒，因此，入口风速需保持一个适当的数值。

在本发明中，微旋流分离器分离过程中能量消耗和风机选择的依据是压力降，所述压力降指的是两个同压力面的压力值之差，反映了压力在一段管路的损失变化情况。选择合适的入口风速及压力降能够有效提高分离效率。

在更进一步优选的实施方式中，所述厨房油烟通过设置在微旋流分离器内部的旋流芯管进行汇聚和粒径切割，所述旋流芯管数量由油烟量决定。

优选地，所述旋流芯管并联设置。

其中，所述旋流芯管的数量不限，根据通入的油烟量具体设置，可以为单个或多个并联组成。

根据本发明一种优选的实施方式，所述分离得到的粒径大于5μm的油烟颗粒通过沉降作用除去。

在本发明中，所述进入微旋流分离器中的厨房油烟在离心力场作用下将油气液滴和水汽液滴抛向筒体内表面，集结在筒体内表面的油气液滴和水汽液滴相互聚合形成大的油滴，变得容易分离，所述粒径大于5μm的油烟颗粒在重力作用下逐渐沉降到微旋流分离器底部的沉降口排出。

所述分离得到的粒径小于5μm的油烟颗粒在微旋流分离其中向中间迁移，并沿着轴线向上运动，最后从位于微旋流分离器顶部的溢流口排出，进入下一级净化处理设备。

步骤（2），对初步处理后的剩余油烟体系进行二次处理，得到净化气体。

根据本发明一种优选的实施方式，所述二次处理在微波无极光催化反应器中进行，利用微波无极光和催化剂协同作用催化降解剩余油烟体系。

其中，所述初步处理后的剩余油烟体系即为粒径小于5μm的微小粒径油气液滴和气态污染物，其从微旋流分离器的顶部溢流口排出，进入微波无极光催化反应器。

本发明人经过研究发现，微波光催化降解技术具有操作方便、能耗较低、不易产生二次污染等优点，该技术利用微波谐振腔对无极汞灯产生激发作用从而使电子碰撞进行发光，产生氧化性较强的•OH自由基，来达到净化醛类废气的目的。

在进一步优选的实施方式中，所述微波无极光催化反应器包括微波无极光源和催化剂，使得通入的剩余油烟体系在微波无极光的照射下，被催化剂降解吸收。

优选地，在微波无极光的照射下，所述微波无极光催化反应器中反应温度维持在200~400℃，优选为250~350℃。

其中，所述反应温度为负载有活性组分的催化剂区域的温度。

在本发明中，催化剂在微波无极光的照射下，自身产生热量，使得反应器能够维持在较高的反应温度，本发明人经过研究发现，当催化反应过程的温度在200~400℃，优选在250~350℃时，催化剂的活性最高，对污染物的降解效率最高。

在更进一步优选的实施方式中，所述微波无极光源为单个或多个微波无极光源组成的光源阵列，所述催化剂为规整催化剂。

本发明人经过研究发现，规整催化剂兼有催化剂和反应器的特点与性能，具有低压降、低能耗、优良的传递性能、体积小等优点。且与传统颗粒催化剂填料相比，具有高孔隙率、较高的比表面积及较短的扩散距离，能够通过简单的串联或并联即可实现规整机构催化剂的放大。

优选地，所述微波无极光源居中置于规整催化剂的孔道内，所述催化剂优选为圆柱形。

根据本发明一种优选的实施方式，所述催化剂包括载体和负载在载体上的活性组分。

在进一步优选的实施方式中，所述载体为多孔的蜂窝状结构，优选地，所述载体由规整堇青石和/或碳化硅组成。

本发明人进过研究发现，若要在微波场中使催化剂更有效地利用微波能来提高催化降解的效率，需要借助非反应活性相的吸波物质，而堇青石和碳化硅具有抗氧化和耐高温特性，作为载体使用能够显著提高催化剂的吸波性能和催化活性。

在更进一步优选的实施方式中，所述载体的孔隙率为30-60%。

其中，所述孔隙率是指块状材料中孔隙体积与材料在自然状态下总体积的百分比。

根据本发明一种优选的实施方式，所述催化剂包括双活性组分，所述活性组分选自金属氧化物，优选选自氧化锰、氧化钴、氧化铜、氧化铁或氧化铈。

本发明人经过研究发现，催化剂中选用双活性组分，通过两种金属氧化物之间的协同催化作用，可以降低有机分子催化氧化反应的活化能，加速降解反应中间体，提高反应速率。

在本发明中，所述剩余油烟颗粒通入微波无极光催化反应器中，在微波无极光的作用下，催化剂载体上负载的活性成分能够发挥降解作用，高效去除油烟中的VOC；同时，活性成分还能能够吸收无极光自身产生热量，使得整个反应系统能够维持较高的反应温度，无需外界加热，降低了运行成本。

在进一步优选的实施方式中，所述催化剂的活性组分由氧化铜和氧化锰构成。

本发明人经过研究发现，常规催化剂的活性组分常需要添加稀有贵金属或者稀土元素，导致催化剂的成本较高。在本发明中，只添加一定比例的廉价金属铜和锰的氧化物，就能起到良好的催化降解效果，使得生产成本进一步降低。

在更进一步优选的实施方式中，所述活性组分中氧化铜和载体的重量比为（1~10）：100，氧化锰与载体的重量比为（2~15）：100。

优选地，所述活性组分中氧化铜和载体的重量比为（2~8）：100，氧化锰与载体的重量比为（3~12）：100。

更优选地，所述活性组分中氧化铜和载体的重量比为（2~5）：100，氧化锰与载体的重量比为（5~10）：100。

根据本发明一种优选的实施方式，所述催化剂的制备方法包括以下步骤：

步骤（2-1），配置活性组分的混合盐溶液；

根据本发明一种优选的实施方式，所述活性组分的混合盐溶液为可溶性盐的混合溶液。

在进一步优选的实施方式中，所述活性组分的混合盐溶液为硝酸盐混合溶液、硫酸盐混合溶液、盐酸盐混合溶液、甲酸盐混合溶液或乙酸盐混合溶液中的一种或多种。

在更进一步优选的实施方式中，所述活性组分的混合盐溶液为硝酸盐混合溶液。

步骤（2-2），将上述混合盐溶液浸渍到载体表面；

本发明人经过研究发现，对于多组分催化剂来说，多次浸渍、多次焙烧的方法，意味着催化剂载体每浸渍一种活性组分后，就要干燥、焙烧一次。如果催化剂活性组分为三种，就要反复浸渍、焙烧三次，这便导致催化剂制备过程漫长、复杂、生产成本高，而且催化剂的性能容易产生波动。因此，在本发明中采用双组份等体积一步浸渍、焙烧法制备催化剂。

根据本发明一种优选的实施方式，在将混合盐溶液浸渍到载体表面之前，先测定载体的吸水率。

（1）取部分载体进行称重，记录重量m1；

（2）用去离子水浸泡载体（水量以没过载体为准），浸泡一定时间后取出，沥干水分，然后用滤纸吸干表面残余的水分，然后再称重，记为m2；

（3）根据二者的重量差计算吸水率，得到单位质量载体可吸收的水的质量，吸水率=（m2-m1）/m1×100%，进而根据吸水率计算出单位质量载体能吸收的溶液的体积。

在进一步优选的实施方式中，量取与载体吸附体积相同的混合盐溶液，浸渍到载体表面。

在本发明中，所述活性组分采用等体积浸渍法一步负载到载体上，步骤简单，所得催化剂活性组分能够准确定量，且活性组分分布较为均匀。

在更进一步优选的实施方式中，所述浸渍时间为12-24h。

步骤（2-3），将步骤（2-2）中浸渍后的载体进行干燥、焙烧，制得催化剂。

根据本发明一种优选的实施方式，所述焙烧为先在300~400℃下焙烧1~3h，再升温至400~500℃下焙烧2~4h。

在进一步优选的实施方式中，所述焙烧为先在320~380℃下焙烧1.5~2.5h，再升温至420~480℃下焙烧2.5~3.5h。

优选地，所述焙烧为先在350℃下焙烧2h，再升温至450℃下焙烧3h。

在更进一步优选的实施方式中，所述升温为匀速升温，所述升温速率为1~3℃/min，优选为1.7℃/min。

其中，催化剂焙烧的过程采用匀速升温的方法，使制得的催化剂性能稳定。

在本发明中，利用上述方法净化分离的厨房油烟，分离效率高，净化率达到90%以上，经两级处理后的最终排气可直排大气。

根据本发明的第二方面，提供了一种净化厨房油烟的系统，如图1所示，所述系统包括上述净化厨房油烟方法中应用的连通的微旋流分离器和微波无极光催化反应器9。

根据本发明一种优选的实施方式，所述微旋流分离器包括由上到下依次连接的进料箱4、筒体5、上锥体6和下锥体7。

在进一步优选的实施方式中，在所述进料箱4外侧连接有进料口1，使厨房油烟进入微旋流分离器；

在所述进料箱4中由下向上设置有溢流管2和溢流弯头3，使得小粒径的厨房油烟体系排出微旋流分离器。

在更进一步优选的实施方式中，在所述下锥体7的底部设置有沉降口8，使得经微旋流作用分离的大粒径油烟颗粒排出。

根据本发明一种优选的实施方式，所述微波无极光催化反应器9与溢流弯头3连接，用于处理剩余油烟体系。

在进一步优选的实施方式中，所述微波无极光催化反应器9包括微波无极光源10和催化剂12，所述催化剂12为规整催化剂。

其中，所述微波无极光源10为无极紫外灯管，所述规整催化剂具有反应器尺寸上的规整结构，包括蜂窝结构、固体泡沫结构和纤维结构等。

本发明人经过研究发现，规整催化剂兼有催化剂和反应器的特点与性能，具有低压降、低能耗、优良的传递性能、体积小等优点。且与传统颗粒催化剂填料相比，具有高孔隙率、较高的比表面积及较短的扩散距离，能够通过简单的串联或并联即可实现规整机构催化剂的放大。

在更进一步优选的实施方式中，所述催化剂12为空心圆柱形结构，形成孔道，

所述微波无极光源10设置在催化剂12的孔道中心，形成环隙11，所述厨房烟气从环隙11通过，从位于微波无极光催化反应器9尾部的尾气出口13排出。

优选地，所述催化剂12为空心圆柱形。其中，在微波无极光源10的照射下，催化剂12载体上负载的活性成分能够发挥降解作用，高效去除剩余油烟中的VOC；同时，活性成分还能够吸收无极光自身产生热量，使得整个反应系统能够维持较高的反应温度，无需外界加热，降低了运行成本。

在本发明中，利用上述系统吸收处理后的厨房油烟，净化率达到90%以上，能够直接排放至大气中。

实施例

以下通过具体实例进一步描述本发明，不过这些实例仅仅是范例性的，并不对本发明的保护范围构成任何限制。

实施例1

（1）将VOCs浓度为40 mg/m³的厨房油烟通入微旋流分离器的进料口1，进口风速为8m/s，进入单芯管微旋流分离器的进料箱4，经过筒体5、上锥体6、下锥体7后，在微旋流汇聚作用下，油气液滴和水汽液滴汇聚成更大粒径的液滴，粒径大于5μm的液滴通过沉降口8，被分离出来，通过微旋流分离器后的压降为0.012MPa；

（2）粒径小于5μm的剩余油烟液滴通过溢流管2、溢流弯头3，流出微旋流分离器，向后进入微波无极光催化反应器，在无极紫外灯管10和催化剂12孔道之间的环隙11通过，在微波无极光催化作用下，剩余油烟中的微小粒径油气颗粒和气态污染物被催化降解，最终气体从微波无极光催化反应器的尾气出口13排出，

其中，微波无极光催化反应器中催化剂的载体堇青石，孔隙率为50%；活性组分为氧化铜和氧化锰，与载体的重量比分别为2：100和10:100。在净化过程中，根据活性组分的配比调节气体流量，使所述催化反应器的反应温度维持在350℃。

实施例2

本实施例所用方法与实施例1所用方法相似，区别仅在于所述催化剂载体为碳化硅，孔隙率为50%，活性组分氧化铜和氧化锰与载体的重量比均为5:100。

实施例3~5

实施例3~5所用方法与实施例1所用方法相似，区别仅在于净化过程中，所述催化反应器的反应温度分别维持在250℃、280℃和300℃。

实施例6~8

实施例6~8所用方法与实施例2所用方法相似，区别仅在于净化过程中，所述催化反应器的反应温度分别维持在250℃、280℃和300℃。

对比例

对比例1

本对比例所用方法与实施例1所用方法相似，区别仅在于所述厨房油烟仅通过微旋流分离器进行分离，不通入微波无极光催化反应器进行分离。

对比例2

本对比例所用方法与实施例1所用方法相似，区别仅在于所述催化剂中的活性组分只包括氧化铜。

对比例3

本对比例所用方法与实施例1所用方法相似，区别仅在于所述催化剂中的活性组分只包括氧化锰。

实验例

实验例1

统计分析实施例1、3~5中厨房油烟VOC的处理效果，计算去除率，得到如表1所示的结果。其中，

去除率=（处理前浓度-处理后浓度）/处理前浓度×100%。

表1 实施例1、3~5中厨房油烟VOC的处理效果

	反应温度（℃）	处理前油烟VOC浓度（mg/m<sup>3</sup>）	处理后油烟VOC浓度（mg/m<sup>3</sup>）	去除率（%）
					实施例1	350	40	4.2	89.50
实施例3	250	40	5.4	86.50
					实施例4	280	40	5.0	87.50
实施例5	300	40	4.7	88.25

由上述可知，当载体为堇青石，催化剂中活性组分氧化铜、氧化锰与载体的重量比分别为2:100和10:100时，所述油烟中VOC的去除率均在86%以上，在反应温度为250~350℃范围内，去除效果随着温度的升高而提高。

实验例2

统计分析实施例2、6~8中厨房油烟VOC的处理效果，计算去除率，得到如表2所示的结果。其中，

去除率=（处理前浓度-处理后浓度）/处理前浓度×100%。

表2 实施例2、6~8中厨房油烟VOC的处理效果

	反应温度（℃）	处理前油烟VOC浓度（mg/m<sup>3</sup>）	处理后油烟VOC浓度（mg/m<sup>3</sup>）	去除率（%）
					实施例2	350	40	2.5	93.75
实施例6	250	40	3.9	90.25
					实施例7	280	40	3.7	90.75
实施例8	300	40	3.3	91.75

由上述可知，当载体为碳化硅，催化剂中活性组分氧化铜、氧化锰与载体的重量比均为5:100时，所述油烟中VOC的去除率均在90%以上，在反应温度为250~350℃范围内，去除效果随着温度的升高而提高。

实验例3

统计分析实施例2和对比例1~3中厨房油烟VOC的处理效果，计算去除率，得到如表3所示的结果。其中，

去除率=（处理前浓度-处理后浓度）/处理前浓度×100%。

表3 实施例2和对比例1~3中厨房油烟VOC的处理效果

	反应温度（℃）	催化剂活性组分	处理前油烟VOC浓度（mg/m<sup>3</sup>）	处理后油烟VOC浓度（mg/m<sup>3</sup>）	去除率（%）
						实施例2	350	氧化铜、氧化锰	40	2.5	93.75
对比例1	350	/	40	27.8	30.50
						对比例2	350	氧化铜	40	15.4	61.50
对比例3	350	氧化锰	40	12.2	69.50

由上述可知，实施例2所述厨房油烟VOC的去除方法对厨房油烟的去除率远高于对比例1~3的去除率。

本发明人不受任何理论束缚的认为，包含双活性组分的催化剂在微波无极光的照射下，能够降低有机分子催化氧化反应的活化能，加速降解反应中间体。综上所述，本发明提供的净化厨房油烟的方法，运行能耗低，流程短，且使得厨房油烟经两级净化处理后，油烟VOC的去除率达到90%以上，可以直接向大气排放。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。

Claims (12)

1.一种净化厨房油烟的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤（1），改变厨房油烟体系的粒径，进行初步处理，除去部分油烟体系；

步骤（2），对上述初步处理后的剩余油烟体系进行二次处理，得到净化体系；

步骤（2）中，所述二次处理在微波无极光催化反应器中进行，所述微波无极光催化反应器包括微波无极光源和催化剂，二者协同作用催化降解剩余油烟体系，

所述催化剂为规整催化剂，包括载体和负载在载体上的活性组分，

所述催化剂包括双活性组分，所述双活性组分为氧化铜和氧化锰，

所述活性组分中氧化铜与载体的重量比为（1~10）：100，氧化锰与载体的重量比为（2~15）：100。

2.根据权利要求1所述的净化厨房油烟的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述初步处理在微旋流分离器中进行，利用微旋流作用对厨房油烟体系的粒径进行汇聚和切割分离。

3.根据权利要求2所述的净化厨房油烟的方法，其特征在于，所述微旋流分离器的入口风速为5~25m/s，压力降为0.01~0.03MPa。

4.根据权利要求2所述的净化厨房油烟的方法，其特征在于，在所述微旋流分离器内部设置有对油烟体系进行汇聚和切割的旋流芯管，所述切割分离得到的粒径大于5μm的油烟颗粒通过沉降作用除去。

5.根据权利要求1所述的净化厨房油烟的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述微波无极光催化反应器在反应过程中温度维持在250~350℃。

6.根据权利要求1所述的净化厨房油烟的方法，其特征在于，

步骤（2）中，所述剩余油烟颗粒的粒径小于5μm。

7.根据权利要求1所述的净化厨房油烟的方法，其特征在于，所述载体为多孔的蜂窝状结构。

8.根据权利要求1所述的净化厨房油烟的方法，其特征在于，所述活性组分中氧化铜和载体的重量比为（2~8）：100，氧化锰与载体的重量比为（3~12）：100。

9.根据权利要求8所述的净化厨房油烟的方法，其特征在于，所述活性组分中氧化铜和载体的重量比为（2~5）：100，氧化锰与载体的重量比为（5~10）：100。

10.根据权利要求1所述的净化厨房油烟的方法，其特征在于，所述催化剂的制备方法包括以下步骤：

步骤（2-1），配置活性组分的混合盐溶液；

步骤（2-2），将上述混合盐溶液浸渍到载体表面；

步骤（2-3），将上述浸渍后的载体进行干燥、焙烧，制得催化剂。

11.根据权利要求10所述的净化厨房油烟的方法，其特征在于，

步骤（2-2）中，所述混合盐溶液的体积与载体可吸附液体的体积相同。

12.一种用于实施权利要求1至11之一所述的净化厨房油烟方法的系统，其特征在于，所述系统包括连通的微旋流分离器和微波无极光催化反应器（9）。

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