CN110152481B - 一种可原位再生的VOCs吸附光催化和臭氧协同净化方法及装置 - Google Patents

一种可原位再生的VOCs吸附光催化和臭氧协同净化方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可原位再生的VOCs吸附光催化和臭氧协同净化方法及装置，包括装置内部环形分布的紫外灯管和加热灯管，所述紫外灯管和加热灯管外周为电晕发生极电净化丝，所述电晕发生极电净化丝通过装配在环形安装架内的丝托缠绕形成环形布置；所述电晕发生极电净化丝外侧依次为负载光催化剂的活性炭纤维吸附层、臭氧催化剂层和集尘极，所述活性炭纤维吸附层、臭氧催化剂层和集尘极贴合在一起制成桶状结构，最外层的外侧集尘极形成装置的骨架，为金属网状结构。采用本发明的技术方案能够有效去除VOCs，净化效率较高，且同时能够对VOCs分解产物进行有效脱附处理，及时恢复净化效率。

Description

一种可原位再生的VOCs吸附光催化和臭氧协同净化方法及 装置
技术领域
本发明涉及工业废气净化领域，具体涉及一种可原位再生的VOCs吸附光催化和臭氧协同净化方法及装置。
背景技术
根据中国环境规划院研究结果表明，VOCs年排放量大约在3100万吨，VOCs的减排潜力巨大。VOCs治理也逐渐受到重视并取得一定进展，各省市纷纷根据当地的产业结构和VOCs污染情况出台了相应措施和规范；但是医药化工、包装印刷以及高校实验室等低浓度大风量的VOCs治理仍不够理想。随着越来越严格的行业标准和地方标准陆续制定，具备低浓度大风量VOCs排放特征的企业或者高校也将按照相应规定进行工程建设改造，市场规模保守估计将超过1400亿元。
目前处理低浓度大风量VOCs常见的办法为吸附、吸收、光催化和等离子体工艺，吸附法和吸收法存在运行费用高，需要更换吸附剂和吸收液，危废处置量大的问题；光催化和等离子体工艺存在二次污染和实际净化效率不佳等问题很难满足日益严格的环保要求。
中国专利CN 104923073 A公开了一种利用废气余热发生光降解废气的处理装置，包括了集热与控制换热系统、与集热与控制换热系统相连的热电发电系统、以及最终的废气光降解系统，其中集热与控制换热系统中包括限流器，盘式换热板；热电发电系统包括绝缘层与N，p 型半导体材料及铜片；废气光降解系统包括除尘网状板、紫外灯管、光催化板、活性炭纤维网。本发明实现了工业废气，汽车尾气带来的热量在集热控制系统下，进行换热从而产生温差，进一步运用赛贝克效应，使热转变成电，给光催化降解系统中的紫外灯管提供电能，从而确保后续的光降解废气得以不断进行，该专利光催化板，是运用纳米二氧化钛负载的网状金属板，并且在金属网孔中填充纳米级二氧化钛。该专利设置的活性炭纤维网增加比表面积提高了光催化反应效率，但是光催化降解产物如水气等会占据活性炭纤维的微孔，降低其比表面积，由于水气的竞争吸附影响后续净化效率。
中国专利CN106512719A公开了一种等离子体、光催化剂和氮氧化物吸收剂复合的叠式管状空气净化装置，包括初级过滤装置、内置陶瓷管、外层陶瓷管、金属芯棒、活性炭纤维疏松材料、固定装置、氮氧化物吸收装置、气体动力装置、电源和控制装置。采用初级过滤装置、叠式管状等离子体装置、复合光催化剂模块及氮氧化物吸收剂模块，通过功能模块的复合和集成，能对含有有机污染物的空气实现多级和深度处理，对降解挥发性有机物产生的无机副产物如臭氧、二氧化氮，有机副产物如氰化物的处理不仅能达标，而且不会引发二次污染。该发明装置充分考虑到等离子体降解挥发性有机物产生的有机、无机副产物，确保排放的副产物达标，但仍未解决光催化降解如水气等产物会占据活性炭纤维的微孔，而导致后续光催化效率下降的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服采用现有技术处理VOCs治理净化效率不高、投资大、寿命短、存在二次污染的不足，提供了一种可原位再生的VOCs吸附光催化和臭氧协同净化方法及装置。采用本发明的技术方案能够有效去除VOCs，净化效率较高，且同时能够对VOCs分解产物进行有效脱附处理，及时恢复净化效率。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种可原位再生的VOCs吸附光催化和臭氧协同净化装置，包括装置内部环形分布的紫外灯管和加热灯管，所述紫外灯管和加热灯管外周为电晕发生极电净化丝，所述电晕发生极电净化丝通过装配在环形安装架内的丝托缠绕形成环形布置；所述电晕发生极电净化丝外侧依次为负载光催化剂的活性炭纤维吸附层、臭氧催化剂层和集尘极，所述活性炭纤维吸附层、臭氧催化剂层和集尘极贴合在一起制成桶状结构，最外层的外侧集尘极形成装置的骨架，为金属网状结构。
进一步的，所述紫外灯管和加热灯管环形交替的分布在装置内，紫外灯管和加热灯管的数量根据处理废气风量设置。
进一步的，所述紫外灯管发射的紫外线波长与负载在活性炭纤维吸附层上的光催化剂的有效光响应波长一致，为180nm和254nm双波段波长紫外灯；所述紫外灯管为高纯石英玻璃；所述紫外灯管的功率与风量配比关系为不小于3千瓦每万立方，负载光催化剂的活性炭纤维层内侧光照强度不低于1mW/cm2。
进一步的，所述加热灯管为卤素发热管或者碳素纤维发热管，开启时将负载光催化剂的活性炭纤维层加热至80℃。
进一步的，所述电晕发生极电净化丝材质为铜丝、钨丝和钼丝中的一种或者两种以上形成的合金，电晕发生极电净化丝直径不超过0.3mm；环形安装架配置有丝托和固定电晕发生极电净化丝的盖板，电晕发生极电净化丝通过装配在环形安装架内的丝托缠绕形成环形布置，环形安装架及盖板、丝托均为绝缘塑料材质；所述电晕发生极电净化丝距离外侧的集尘极不超过80mm。
进一步的，负载光催化剂的活性炭纤维吸附层中活性炭纤维为聚丙烯腈基活性炭或者粘胶基活性炭，所述活性炭纤维采用硫酸和高锰酸钾进行预处理改性，将市售P25二氧化钛分散在乙醇中，通过超声波震荡将分散的二氧化钛负载在预处理后的活性炭纤维上。
进一步的，所述臭氧催化剂层为由锰、铜、镍和钴氧化物组成的催化剂。
进一步的，所述集尘极为冲孔铝板、钢板或者导电ABS及其合金材质，所述集尘极还作为装置的骨架用于将净化后的废气排出装置外。
采用所述的装置对VOCs进行净化处理的方法，其步骤为：
经过预处理去除颗粒物和酸碱性废气后的VOCs在外部风机的作用下进入装置中部，分别经过紫外灯管、电晕发生极电净化丝、负载光催化剂的活性炭纤维吸附层和臭氧催化剂进行处理，然后经过集尘极上的冲孔排出装置；其中，活性炭纤维将VOCs吸附，在紫外光的作用下，活性炭纤维上的光催化材料对吸附的VOCs进行有效降解，同时活性炭纤维吸附紫外光电离产生的臭氧和电晕发生极电离产生的臭氧，使得臭氧与光催化产生的自由基协同降解VOCs，多余的臭氧经臭氧催化剂层充分分解后排出。
为避免VOCs降解产生的水分子影响后续净化效率，需要对负载光催化剂的活性炭纤维吸附层进行脱附，脱附时开启紫外灯管、加热灯管和电晕发生极电净化丝，在紫外光的作用下结合热再生方法对活性炭纤维吸附的水气进行脱附，电晕发生极电净化丝和集尘极之间的离子雪崩产生的高速风将脱附出来的水气带出装置外，避免因水气的竞争吸附影响对VOCs的降解效果，实现原位再生，再生时无需外部风机启动。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的一种可原位再生的VOCs吸附光催化和臭氧协同净化方法及装置，VOCs废气分别经过紫外灯管、电晕发生极、负载光催化剂的活性炭纤维吸附层和臭氧催化剂进行处理，然后经过集尘极上的孔排出装置；其中紫外灯管发射的紫外光可以对VOCs废气进行初步光解，然后活性炭纤维将VOCs吸附，在紫外光和光催化材料的作用下对吸附的VOCs进行有效降解，同时活性炭纤维还可以吸附紫外光和电晕发生极电离产生的臭氧，使得臭氧与光催化产生的自由基协同降解VOCs，多余的臭氧经臭氧催化剂层充分分解后排出。本方法有效的将紫外光解、吸附、光催化和臭氧协同组合，可以高效净化VOCs。
本发明在使用过程中，开启紫外光源、热光源和电源发生极，在紫外光的作用下结合传统热再生方法对活性炭纤维吸附的水气等分解产物可进行有效脱附，从而保证活性炭纤维对VOCs的吸附容量，为VOCs的净化提供充足位点和反应时间，保证整套装置持久高效的净化能力。
本发明中，电晕发生极和集尘极之间的离子雪崩产生的高速风可以将脱附出来的水气带出装置外，避免因水气的竞争吸附影响对VOCs的降解效果，在外部风机停止使用时亦可以实现原位再生。
附图说明
图1为本发明的一种可原位再生的VOCs吸附光催化和臭氧协同净化装置结构示意图。
图中：1-紫外灯管，2-加热灯管，3-电晕发生极电净化丝，4-环形安装架，5-负载光催化剂的活性炭纤维吸附层，6-臭氧催化剂层，7-集尘极。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种可原位再生的VOCs吸附光催化和臭氧协同净化装置，包括紫外灯管1、加热灯管2、电晕发生极电净化丝3，其中电晕发生极电净化丝3通过装配在环形安装架4内的丝托缠绕形成环形布置；还包括负载光催化剂的活性炭纤维吸附层5、臭氧催化剂层6和集尘极7，其中负载光催化剂的活性炭纤维吸附层5、臭氧催化剂层6和集尘极7贴合在一起制成桶状结构，内侧靠近负载光催化剂的活性炭纤维吸附层5环状布置有电晕发生极电净化丝3，外侧集尘极7为金属制成网状结构同时起到骨架的作用。
如图1所示，采用本实施例的一种可原位再生的VOCs吸附光催化和臭氧协同净化装置对VOCs进行净化处理时，其具体过程如下：
1）VOCs在外部风机的作用下通过装置中部进入，在紫外线的作用下VOCs首先进行光解作用，经光解反应后的VOCs和紫外线电离空气产生的臭氧被活性炭纤维吸附、活性炭纤维负载有光催化剂，在紫外光的作用下，在活性炭纤维活性点位上进行光催化和臭氧协同净化VOCs的反应，保证VOCs的彻底净化。
2）经过光解、吸附和光催化反应的气体进一步经过臭氧催化剂层，将反应残余的臭氧分解，净化后的废气经集尘极的网孔排出。
3）使用过程中负载光催化剂的活性炭纤维吸附层降解VOCs的反应产物水气会被碳纤维吸附，在紫外光的作用下水分子可以进一步被净化后的废气带出装置外部，从而保证活性炭纤维的充足活性位点进行后续VOCs净化。
4）当装置停止使用时，开启紫外光源、热光源和电源发生极，在紫外光的作用下结合传统热再生方法对活性炭纤维吸附的水气等分解产物进行有效脱附，完全恢复活性炭纤维对VOCs的吸附容量，保证整套装置持久高效的净化能力。
本实施例中紫外灯管和加热灯管以环形方式交替布置在装置中心，此种方式可以将紫外灯管发射出的紫外光和加热灯管的热辐射均匀分布到负载光催化剂的活性炭纤维吸附层上，紫外灯为180nm和254nm双波段波长紫外灯，灯管材质为高纯石英玻璃，避免紫外线的衰减。高能紫外线电离空气中的氧气会产生臭氧，有助于进一步分解VOCs。
本实施例中加热灯管为卤素发热管或者碳素纤维发热管，开启时可以将负载光催化剂的活性炭纤维层加热至80℃，实现对活性炭纤维吸附VOCs降解产生水气的脱附和干燥。
优选的加热灯管采用碳素纤维发热管。
本实施例中单套装置处理风量为5000m3/h，，紫外灯功率为6kW，负载光催化剂的活性炭纤维层的光照强度为2 mW/cm2，通过对装置的集成可以实现更大风量的处理。
本实施例中电晕发生极电净化丝材质为钨钼合金丝，直径0.15mm；电晕发生极电净化丝距离外侧集尘极距离为80mm。
本实施例中负载光催化剂的活性炭纤维吸附层中活性炭纤维为聚丙烯晴基活性炭，将活性炭纤维采用硫酸和高锰酸钾进行预处理改性，提高其吸附容量和对光催化材料的负载能力，将市售P25二氧化钛平均粒径为25纳米的锐钛矿晶和金红石晶混合相的二氧化钛分散在乙醇中，通过超声波震荡将分散的二氧化钛负载在预处理后的活性炭纤维上。
本实施例中臭氧催化剂层是由锰、铜、镍和钴氧化物组成的催化剂，可以将未反应完全的臭氧进行有效降解。
本实施例中集尘极材质为冲孔铝板，同时可以作为装置的骨架，将净化后的废气排出装置外。
本发明通过活性炭纤维将VOCs吸附，在紫外光的作用下，活性炭纤维上的光催化材料可对吸附的VOCs进行有效降解，同时活性炭纤维还可以吸附紫外光和电晕发生极电离产生的臭氧，使得臭氧与光催化产生的自由基协同降解VOCs，多余的臭氧经臭氧催化剂层充分分解后排出。使用一段时间后，活性炭纤维会吸附VOCs降解产生的水分子而影响后续对VOCs的吸附，此时开启紫外光源、热光源和电晕发生极，在紫外光的作用下结合传统热再生方法对活性炭纤维吸附的水气进行有效脱附，电晕发生极和集尘极之间的离子雪崩产生的高速风可以将脱附出来的水气带出装置外，避免因水气的竞争吸附影响对VOCs的降解效果，实现原位再生。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可原位再生的VOCs吸附光催化和臭氧协同净化装置，其特征在于：包括装置内部环形分布的紫外灯管(1)和加热灯管(2)，所述紫外灯管(1)和加热灯管(2)外周为电晕发生极电净化丝(3)，所述电晕发生极电净化丝(3)通过装配在环形安装架(4)内的丝托缠绕形成环形布置；所述电晕发生极电净化丝(3)外侧依次为负载光催化剂的活性炭纤维吸附层(5)、臭氧催化剂层(6)和集尘极(7)，集尘极(7)上具有冲孔排出装置；所述活性炭纤维吸附层(5)、臭氧催化剂层(6)和集尘极(7)贴合在一起制成桶状结构，最外层的外侧集尘极(7)形成装置的骨架，为金属网状结构；
所述紫外灯管(1)和加热灯管(2)环形交替的分布在装置内，紫外灯管(1)和加热灯管(2)的数量根据处理废气风量设置；
所述紫外灯管(1)发射的紫外线波长与负载在活性炭纤维吸附层(5)上的光催化剂的有效光响应波长一致，为180nm和254nm双波段波长紫外灯；所述紫外灯管(1)为高纯石英玻璃；所述紫外灯管(1)的功率与风量配比关系为不小于3千瓦每万立方，负载光催化剂的活性炭纤维吸附层(5)内侧光照强度不低于1mW/cm2；
所述电晕发生极电净化丝(3)材质为铜丝、钨丝和钼丝中的一种或者两种以上形成的合金，电晕发生极电净化丝(3)直径不超过0.3mm；环形安装架(4)配置有丝托和固定电晕发生极电净化丝(3)的盖板，电晕发生极电净化丝(3)通过装配在环形安装架(4)内的丝托缠绕形成环形布置，环形安装架(4)及盖板、丝托均为绝缘塑料材质；所述电晕发生极电净化丝(3)距离外侧的集尘极(7)不超过80mm。
2.根据权利要求1所述的可原位再生的VOCs吸附光催化和臭氧协同净化装置，其特征在于：所述加热灯管(2)为卤素发热管或者碳素纤维发热管，开启时将负载光催化剂的活性炭纤维吸附层(5)加热至80℃。
3.根据权利要求1所述的可原位再生的VOCs吸附光催化和臭氧协同净化装置，其特征在于：负载光催化剂的活性炭纤维吸附层(5)中活性炭纤维为聚丙烯腈基活性炭或者粘胶基活性炭，所述活性炭纤维采用硫酸和高锰酸钾进行预处理改性，将市售P25二氧化钛分散在乙醇中，通过超声波震荡将分散的二氧化钛负载在预处理后的活性炭纤维上。
4.根据权利要求1所述的可原位再生的VOCs吸附光催化和臭氧协同净化装置，其特征在于：所述臭氧催化剂层(6)为由锰、铜、镍和钴氧化物组成的催化剂。
5.根据权利要求1所述的可原位再生的VOCs吸附光催化和臭氧协同净化装置，其特征在于：所述集尘极(7)为冲孔铝板、钢板或者导电ABS及其合金材质，所述集尘极(7)还作为装置的骨架用于将净化后的废气排出装置外。
6.采用权利要求1-5中任一项所述的装置对VOCs进行净化处理的方法，其特征在于：其步骤为：经过预处理去除颗粒物和酸碱性废气后的VOCs在外部风机的作用下进入装置中部，分别经过紫外灯管(1)、电晕发生极电净化丝(3)、负载光催化剂的活性炭纤维吸附层(5)和臭氧催化剂层(6)进行处理，然后经过集尘极(7)上的冲孔排出装置；其中，活性炭纤维将VOCs吸附，在紫外光的作用下，活性炭纤维上的光催化材料对吸附的VOCs进行有效降解，同时活性炭纤维吸附紫外光电离产生的臭氧和电晕发生极电离产生的臭氧，使得臭氧与光催化产生的自由基协同降解VOCs，多余的臭氧经臭氧催化剂层(6)充分分解后排出。
7.根据权利要求6所述的对VOCs进行净化处理的方法，其特征在于：为避免VOCs降解产生的水分子影响后续净化效率，需要对负载光催化剂的活性炭纤维吸附层(5)进行脱附，脱附时开启紫外灯管(1)、加热灯管(2)和电晕发生极电净化丝(3)，在紫外光的作用下结合热再生方法对活性炭纤维吸附的水气进行脱附，电晕发生极电净化丝(3)和集尘极(7)之间的离子雪崩产生的高速风将脱附出来的水气带出装置外，避免因水气的竞争吸附影响对VOCs的降解效果，实现原位再生，再生时无需外部风机启动。
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