CN110124484A - 一种过硫酸盐活化结合紫外光诱导降解有机废气的装置及方法 - Google Patents

一种过硫酸盐活化结合紫外光诱导降解有机废气的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种过硫酸盐活化结合紫外光诱导降解有机废气的方法及装置，工艺包括：待处理有机废气进入反应器筒体内，首先经过滤干燥模块将废气中的颗粒物及水分充分过滤并干燥；随后进入超声雾化模块，过硫酸盐经超声雾化后喷入反应器筒体内，超声雾化形成硫酸根自由基对有机废气进行初步降解；雾化后的过硫酸盐液滴与初步降解后的废气一起进入紫外光活化模块，紫外光照射下进一步强化产生自由基，同时废气与紫外光活化模块内的泡沫氧化陶瓷充分接触；最后经过过滤吸附模块对尾气中的气凝胶进行吸附。本发明采用超声雾化过硫酸盐结合紫外光诱导产生自由基对工业有机废气进行净化处理，能够高效处理含有挥发性有机物的有机废气。

Description

一种过硫酸盐活化结合紫外光诱导降解有机废气的装置及 方法
技术领域
本发明涉及有机废气净化技术，具体是指采用超声雾化过硫酸盐结合紫外光诱导产生自由基对工业有机废气进行净化处理的装置。
背景技术
众所周知，目前我国所面临的环境问题依然十分严峻。其中，空气污染作为人类生活关系最为密切的污染问题之一，受到了广泛的关注，并得到了越来越多的重视。大气污染物可分为颗粒物和气态污染物，气态污染物种类很多，总体上可分为五大类：含硫化合物、含氮化合物、碳氧化物、有机化合物和卤素化合物。对于有机化合物还尚处于初步控制阶段。其中，挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds，VOCs)VOCs对生态环境及人类健康的危害也越来越严重。目前，这类污染物已经从化工业渗透进了人们的日常生活。
在我国，多个地区近年来频繁出现严重的雾霾现象，使得PM2.5成为了当前大气污染的热点话题。但是以往对于PM2.5的防治，大都集中于粉尘及颗粒物的排放，忽视了VOCs的排放问题。雾霾的实质是大气气溶胶的浓度处于较高水平。其中有机气溶胶是大气气溶胶的主要成分之一，在污染严重的城市地区一般占PM2.5和PM10质量的20-60％。其中，VOCs是有机气溶胶的重要前驱物。VOCs的大量排放，是产生PM 2.5的潜在因素，并且更加重了雾霾的危害性。然而由于相关排放标准缺乏，控制技术不成熟，VOCs成为制约大气环境质量改善的短板。
但目前来看，市面上所使用的有机废气处理工艺多为单一的紫外光解工艺，在利用紫外光光解含VOC的有机废气过程中，存在降解不彻底、尾气臭氧浓度较高易形成二次污染物的问题，且难以应对成分相对复杂的工业有机废气，不能满足当下日益严格的大气环境标准及要求。
发明内容
本发明提供的是一种采用超声雾化过硫酸盐结合紫外光诱导产生自由基对工业有机废气进行净化处理方法，其能够高效处理特征工业生产过程中产生的含有挥发性有机物(VOCs)的有机废气。
一种过硫酸盐活化结合紫外光诱导降解有机废气的方法，包括：
待处理有机废气由进气口进入反应器筒体内，首先经过滤干燥模块将废气中的颗粒物及水分充分过滤并干燥；
随后进入超声雾化模块，超声雾化器将过硫酸盐经超声雾化后喷入反应器筒体内，超声雾化形成硫酸根自由基对有机废气进行初步降解；
雾化后的过硫酸盐液滴与初步降解后的废气一起进入紫外光活化模块，紫外光照射下进一步强化产生自由基，同时废气与紫外光活化模块内的泡沫氧化陶瓷充分接触，VOCs气体分子在泡沫氧化铝陶瓷表面与活化的硫酸根自由基和氧自由基充分作用，最终生成CO2和H2O；
最后经过过滤吸附模块对尾气中的气凝胶进行吸附。
优选地，所述过硫酸盐的质量百分浓度为0.5～1％。
优选地，所述过硫酸盐为Na2S2O8、K2S2O8或(NH4)2S2O8。进一步的，本发明使用的过硫酸盐溶剂优选为(NH4)2S2O8。
优选地，紫外光活化模块内紫外光源为发光波长为254nm的紫外光灯。
在单一工艺难以满足工业有机废气净化要求的基础上，本发明开发出了一套净化工业有机废气的复合工艺，将超声雾化与紫外光技术进行整合，在过硫酸盐的参与下，使在其活化过程中产生大量具有强氧化活性的超氧自由基和硫酸根自由基等自由基，上述活性基团与有机废气充分反应，最终可实现工业有机废气的高效降解。
反应机理如下：
S1.过滤干燥。有机废气首先经活性炭及硅胶过滤，将有机废气中的固液态颗粒物、气溶胶进行去除并干燥，随后进入超声雾化模块；
S2.超声雾化活化。在经超声波(ultrasonicwave)雾化器雾化后的过硫酸盐溶液产生了大量的雾滴状过硫酸盐，在此过程中，部分过硫酸盐分子形成了活性极强的硫酸根自由基。与此同时，雾滴状的过硫酸盐可通过雾汽管网及曝气孔随通入的气流进入主反应装置。该过程中，有机废气中的大分子VOCs得到初步分解，部分小分子VOCs可直接被硫酸根自由基氧化成生成CO2和H2O。大量的雾滴状过硫酸盐与初步降解后的有机废气混合后进入紫外光活化模块：
aVOCs+bSO4 -·→cVOCs+dCO2+eH2O (2)
式中，a、b、c、d、e分别代表方程中反应物和产物的化学反应计量系数(下同)；
S3.紫外光活化模块。在该模块中，紫外光源(Ultraviolet)可激发过硫酸盐雾滴产生自由基。经超声波雾化器雾化后的过硫酸盐溶液产生了大量的雾滴状过硫酸盐，过硫酸盐雾滴、以及O3等可在短波紫外光照射下迅速发生活化，产生大量的硫酸根自由基、超氧自由基等。与此同时，有机废气在经过前两道工序处理后，和上述活性自由基团一同进入反应器的筒体结构内，并在筒体结构内部与泡沫氧化铝陶瓷充分接触。其中的VOC 气体分子在泡沫氧化铝陶瓷表面与被活化的硫酸根自由基和超氧自由基充分作用，最终生成CO2和H2O：
aVOCs+dSO4 -·+c·O→dCO2+eH2O (4)
本发明所述的超声雾化过硫酸盐模块中过硫酸盐溶液的浓度为 0.5～1％。过硫酸盐选用Na2S2O8、K2S2O8、(NH4)2S2O8进一步的，本发明使用的过硫酸盐溶剂优选为(NH4)2S2O8。
本发明所述的过硫酸盐雾化模块中的过硫酸盐溶液经超声波雾化器雾化后，可形成直径0.5～50μm的过硫酸盐雾滴，并在输气管网中流动。当有气流经过时，上述雾滴可从输气管网上的均匀分布的气孔中被带出，实现过硫酸盐在主反应器内的均匀布置，且随气流进入后置的紫外光活化腔内。
本发明所使用的过硫酸盐，其可在紫外光的作用下迅速产生具有强氧化性的硫酸根自由基。
本发明装置在反应器筒体前端还可设置臭氧发生器，其可根据待有机废气的浓度调控臭氧产量。反应器筒体内中段均匀设置有筒体结构，环状氧化铝泡沫陶瓷置于筒体结构内部，且每一筒体结构内布置有一根可产 254nm紫外光的紫外灯，优选共40根。
本发明所述的紫外光活化模块中，筒体的外侧均为实体结构。因此，有机废气与雾化后的过硫酸盐雾滴必须随气流通过阵列布置的筒体结构，并与灯管四周的泡沫氧化铝陶瓷充分接触。在此过程中，有机废气气体分子能够与活性基团充分接触并反应。
本发明所述的组合工艺装置中，前端和尾端分别布置有过滤干燥网和过滤吸附网。其中，前端的过滤干燥网由活性炭及硅胶组成，用于去除有机废气中的固液态颗粒物并干燥；尾端的过滤吸附网用于吸附尾气中的气溶胶和残留雾汽。
本发明还提供一种过硫酸盐活化结合紫外光诱导降解有机废气的装置，包括反应器筒体，所述反应器筒体卧式设置，反应器筒体一端设置进气口、另一端设置出气口；所述反应器筒体内由进气口至出气口方向依次设置过滤干燥模块、超声雾化模块、紫外照射活化模块和过滤吸附模块：所述超声雾化模块包括超声雾化器和输汽管网，所述超声雾化器设于反应器筒体外，所述输汽管网垂直于反应器筒体的轴线伸入反应器筒体内；所述紫外照射活化模块包括若干水平设置的紫外活化单元，每个紫外活化单元包括圆形筒体、设于圆形筒体中心的紫外灯管和设于圆形筒体内壁与紫外灯管之间的泡沫陶瓷。
相邻紫外活化单元之间以及泡沫陶瓷的空隙内均为气体通道。本发明方法优选依赖于本发明装置实现。
优选地，所述过滤干燥模块为垂直于反应器筒体轴线固定于反应器筒体内壁上的过滤干燥网。
进一步优选地，所述过滤干燥网为由活性炭及硅胶组成的过滤干燥网。用于去除有机废气中的固液态颗粒物并干燥。
优选地，所述输汽管网包括输汽总管和若干输汽支管，输汽支管上均匀开设输汽孔。
优选地，所述过滤吸附模块为垂直于反应器筒体轴线固定于反应器筒体内壁上的过滤吸附网。
所述过滤吸附网由蜂窝状活性炭组成。用于吸附尾气中的气溶胶和残留雾汽。
优选地，所述紫外照射活化模块中相邻紫外灯管呈矩阵排布，相邻紫外灯之间的间距以水平方向60～80mm，竖直方向30～50mm为宜。进一步地，水平方向70mm、竖直方向40mm。
优选地，所述紫外活化单元由固定支架安装于反应器筒体内，紫外灯管平行于反应器筒体的轴线布置。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明将传统的臭氧紫外光解等工艺技术加以整合，并引入了过硫酸盐，其在超声雾化及紫外光的双重作用下生成大量的硫酸根自由基和超氧自由基，对有机废气中的VOCs分子进行氧化降解。本发明开发出了一套可应对多种污染物并能实现高效降解的技术，克服了传统技术的处理对象单一、降解效率低、易形成二次污染等缺点。
附图说明
图1为本发明装置正视图。
图2为本发明装置左视图。
图3为图2所示A-A向视图。
图4为图3所示B-B向视图。
图5为图3所示C-C向视图。
图中所示附图标记如下：
101-过滤干燥网 201-过硫酸盐 202-超声雾化器
203-输汽管网 204-输汽孔 301-紫外灯
302-泡沫陶瓷 303-圆形筒体
5-反应器筒体 6-进气口 7-出气口
具体实施方式
如图1～图5所示，一种过硫酸盐活化结合紫外光诱导降解有机废气的装置，包括反应器筒体5，反应器筒体卧式设置，一端设置进气口6、另一端设置出气口7，反应器筒体内由进气口至出气口方向依次设置过滤干燥模块、超声雾化模块、紫外照射活化模块和过滤吸附模块。
过滤干燥模块为固定于反应器筒体内壁上的过滤干燥网101，过滤干燥网由活性炭及硅胶组成，用于去除有机废气中的固液态颗粒物并干燥；过滤干燥网垂直于反应器筒体的轴线布置，气体穿过过滤干燥网的同时经过过滤干燥网去除有机废气中的固态颗粒并干燥。
超声雾化模块包括超声雾化器202和输汽管网203，超声雾化器置于反应器筒体外，其容器内盛装混合溶液201，输汽管网包括输汽总管和若干输汽支管，输汽支管形成管网状，如图5所示，输汽支管上均匀开设输汽孔204，整个管网网面垂直于反应器筒体的轴线伸入反应器筒体内。
紫外照射活化模块包括支撑架和可拆卸固定安装于支撑架上的若干紫外活化单元，每个紫外活化单元包括圆形筒体303，圆形筒体的直径为 70mm左右，紫外灯管301设于圆形筒体中心，紫外灯管与圆形筒体内壁之间为泡沫陶瓷302，所有的紫外灯管外接电源，紫外活化单元通过安装支架安装于反应器筒体内，所有的紫外活化单元可拆卸安装于该支架上，支架可拆卸安装于反应器筒体内壁上。本实施方式中，设置40根紫外灯管，呈矩阵排布，相邻紫外灯管之间的间距为水平方向为70mm，竖直方向为40mm。
过滤吸附模块包括固定于反应器筒体内壁上的过滤吸附网401，由活性炭及氧化铝泡沫陶瓷组成过滤吸附网。过滤吸附网用于吸附尾气中的气溶胶和残留雾汽。
为方便清洗和更换，过滤干燥网和过滤吸附网均采用可拆卸安装方式，也可直接拆卸后清洗。为方便过滤吸附网的清洗，也可在过滤吸附网的前端或后端设置喷淋装置，喷头朝向吸附网的网面设置，对吸附网进行喷淋清洗，设置喷淋清洗时需设置配套的集水槽。
工艺流程如下：
工业有机废气自进气口进入装置主体。首先经过过滤干燥网，将废气中的颗粒物及水分充分过滤并干燥。随后超声雾化过硫酸盐模块，该模块布置有雾化器，其可将贮存箱内的过硫酸盐溶液经超声雾化后形成直径在 0.5～5μm范围内的雾滴。超声过程中，部分过硫酸盐分子可直接形成具有强氧化性的硫酸根自由基，该活性基团可对有机废气进行初步降解。经雾化后的过硫酸盐雾汽进入输汽管网，管内的雾滴状的过硫酸盐溶液可通过均匀布置的曝气孔进入主反应装置，并与初步降解的有机废气一同进入紫外光活化模块。在此该模块中，经超声波雾化器雾化后的过硫酸盐溶液产生了大量的雾滴。臭氧及过硫酸盐可在短波紫外光照射下迅速发生活化，产生大量的硫酸根自由基。与此同时，有机废气进入反应器的筒体结构内，并与泡沫氧化铝陶瓷充分接触。其中的VOCs气体分子在泡沫氧化铝陶瓷表面与活化的硫酸根自由基和氧自由基充分作用，最终生成CO2和H2O。最后经过尾端的由活性炭及氧化铝泡沫陶瓷组成过滤吸附网，对尾气中的气凝胶进行吸附，并经喷淋后实现废液回收。
实施例1：
适用于涂装行业的有机废气的处理。该废气中主要含有芳香烃化合物及部分酯类化合物。其中挥发性有机物(VOCs)的总质量浓度为 300mg/m3，控制处理气量为900m3/h，装置停留时间10s。运行紫外光活化模块，此时超声雾化过硫酸盐模块未启用。小试结果为：有机废气中的 VOCs去除率为36.2％，矿化率为29.3％，尾气臭氧浓度28.9mg/m3。
实施例2：
工业有机废气其中挥发性有机物(VOCs)的总质量浓度为300mg/m3，控制处理气量为900m3/h，装置停留时间10s，所用过硫酸盐质量浓度为 1％，雾化量为5.0L/h。此时，运行超声雾化过硫酸盐模块，关闭紫外光活化模块。小试结果为：有机废气中的VOCs去除率可达31.8％，矿化率达 23.6％。
实施例3：
工业有机废气其中挥发性有机物(VOCs)的总质量浓度为300mg/m3，控制处理气量为900m3/h，装置停留时间10s，所用过硫酸盐质量浓度为 1％，雾化量为5.0L/h。同时运行超声雾化模块和紫外光活化模块。小试结果为：有机废气中的VOCs去除率可达99.9％，矿化率达98.7％，尾气臭氧浓度1.8mg/m3。
实施例4：
工业有机废气其中挥发性有机物(VOCs)的总质量浓度为300mg/m3，控制处理气量为1500m3/h，装置停留时间6s，所用过硫酸盐质量浓度为 1％，雾化量为5.0L/h。同时运行超声雾化模块和紫外光活化模块。小试结果为：有机废气中的VOCs去除率可达90.8％，矿化率达86.6％，尾气臭氧浓度4.9mg/m3。
实施例5：
工业有机废气其中挥发性有机物(VOCs)的总质量浓度为300mg/m3，控制处理气量为2000m3/h，装置停留时间4.5s，所用过硫酸盐质量浓度为 1％，雾化量为5.0L/h。同时运行超声雾化模块和紫外光活化模块。小试结果为：有机废气中的VOCs去除率可达86.3％，矿化率达81.5％，尾气臭氧浓度7.2mg/m3。
经过上述实施例的综合对比可知，超声雾化过硫酸盐模块和紫外光活化模块的同时运行，能够最大程度的诱发具有强氧化活性的自由基的生成，能够显著提升整体的工艺性能。同时，过硫酸盐的引入，可与紫外活化模块产生的臭氧在紫外光的作用下相互促进诱发产生更多的活性基团，同时显著降低尾气中的臭氧浓度。且当有机废气的处理气量控制在 900m3/h以内时，有效去除效率接近100％，此时尾气臭氧浓度亦低于排放标准，因此可作为最佳实例参照使用。
以上所述仅为本发明专利的具体实施案例，但本发明专利的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (9)

1.一种过硫酸盐活化结合紫外光诱导降解有机废气的方法，其特征在于，包括：
待处理有机废气由进气口进入反应器筒体内，首先经过滤干燥模块将废气中的颗粒物及水分充分过滤并干燥；
随后进入超声雾化模块，超声雾化器将过硫酸盐经超声雾化后喷入反应器筒体内，超声雾化形成硫酸根自由基对有机废气进行初步降解；
雾化后的过硫酸盐液滴与初步降解后的废气一起进入紫外光活化模块，紫外光照射下进一步强化产生自由基，同时废气与紫外光活化模块内的泡沫氧化陶瓷充分接触，VOCs气体分子在泡沫氧化铝陶瓷表面与活化的硫酸根自由基和氧自由基充分作用，最终生成CO2和H2O；
最后经过过滤吸附模块对尾气中的气凝胶进行吸附。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述过硫酸盐的质量百分浓度为0.5～1％。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述过硫酸盐为Na2S2O8、K2S2O8或(NH4)2S2O8。
进一步的，本发明使用的过硫酸盐溶剂优选为(NH4)2S2O8。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，紫外光活化模块内紫外光源为发光波长为254nm的紫外光灯。
5.一种过硫酸盐活化结合紫外光诱导降解有机废气的装置，包括反应器筒体，所述反应器筒体卧式设置，反应器筒体一端设置进气口、另一端设置出气口；其特征在于，所述反应器筒体内由进气口至出气口方向依次设置过滤干燥模块、超声雾化模块、紫外照射活化模块和过滤吸附模块：所述超声雾化模块包括超声雾化器和输汽管网，所述超声雾化器设于反应器筒体外，所述输汽管网垂直于反应器筒体的轴线伸入反应器筒体内；所述紫外照射活化模块包括若干水平设置的紫外活化单元，每个紫外活化单元包括圆形筒体、设于圆形筒体中心的紫外灯管和设于圆形筒体内壁与紫外灯管之间的泡沫陶瓷。
相邻紫外活化单元之间以及泡沫陶瓷的空隙内均为气体通道。
6.根据权利要求5所述装置，其特征在于，所述过滤干燥模块为垂直与反应器筒体轴线固定于反应器筒体内壁上的过滤干燥网。
7.根据权利要求5所述装置，其特征在于，所述过滤干燥网为由活性炭及硅胶组成的过滤干燥网。
8.根据权利要求5所述装置，其特征在于，所述输汽管网包括输汽总管和若干输汽支管，输汽支管上均匀开设输汽孔。
9.根据权利要求5所述装置，其特征在于，所述过滤吸附模块为垂直于反应器筒体轴线固定于反应器筒体内壁上的过滤吸附网。
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