CN110314508A - 一种新型挥发性有机污染物废气处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于挥发性有机污染物污染控制和能源化技术领域，公开了一种新型挥发性有机污染物废气处理装置，构建了膜分离、自产电光电催化体系。该装置具体包括空气泵、气体流量计、鼓泡装置、缓冲瓶、阳极室、阴极室、PVDF膜组件、外电阻、质子交换膜、负载催化剂的活性碳毡和紫外灯。含VOC的模拟废气经过阳极室内PVDF膜富集扩散及生物降解后，进入阴极室被进一步催化去除，空气阴极的设计避免了曝气带来的能耗，降低的成本同时系统有一定电能产出，在常温常压下实现了对含VOC废气的污染控制，且该装置结构简单，操作方便。

Description

一种新型挥发性有机污染物废气处理装置

技术领域

本发明属于挥发性有机污染物(VOC)污染控制和能源化技术领域，具体为集成膜分离、生物降解和电极催化降解的新型VOC处理装置，该装置以负载有产电微生物的活性炭颗粒为生物阳极，阳极室中放置膜组件用于VOC气体向生物相扩散，以负载催化剂的活性碳毡作阴极，中间使用质子交换膜用于分隔阴阳级。含VOC气流先流经阳极的膜组件，VOC被膜吸收渗透扩散至生物阳极被微生物降解；之后气相VOC再经阴极催化作用，进一步得到去除。当VOC气流先经阴极被催化降解，再经膜组件渗透扩散到生物阳极室被生物降解时，VOC去除效率更高。耦合膜分离、生物阳极和催化阴极实现了高效VOC处理与产电。

背景技术

挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds,VOC)是沸点在50～260℃之间，室温下饱和蒸汽压超过133.32Pa，在常温下以蒸气的形式于空气中存在的一类有机物。VOC废气主要来源于装修、印刷、涂装和油品炼制等行业中，且工业VOC的排放量约占到全部VOC排放量的50％，VOC不仅通过直接暴露影响健康，也通过产生二次污染物危害人类健康(经大气光化学反应形成光化学烟雾、臭氧等)。当前，针对全球环境污染与能源短缺问题依旧突出的现状，生物电化学系统(Bioelectrochemical systems，BES)作为一种低能耗的电化学污染修复技术，具有很好应用前景。其中微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)和微生物电解池(Microbial electrolysis cell，MEC)是两种典型的生物电化学系统。微生物燃料电池可将有机物转化为电能，针对现有单一VOC处理技术(如催化燃烧、吸附、非热等离子体、生物过滤、光催化氧化等)存在的能耗高、去除效率低、存在操作风险等问题，微生物燃料电池与光电催化技术相结合的系统有望用于环境污染治理和可再生能源的产生，将膜分离、生物电化学系统与光催化技术耦合，应用到VOC处理领域，能够在降解有机物的同时产生电能。

发明内容

为了低成本、高效解决废气中VOC去除的问题，本发明提供了一种新构型的耦合膜分离、微生物燃料电池、光催化的催化废气处理装置，构建了自产电光电催化体系。

本发明的技术方案：

一种新型挥发性有机污染物废气处理装置，为一种新型、节能的膜分离、生物降解、催化耦合VOC处理装置，包括空气泵1、气体流量计2、鼓泡装置3、缓冲瓶4、阳极室5、阴极室6、PVDF膜组件7、外电阻8、质子交换膜9、负载催化剂的活性碳毡10和紫外灯11；

所述空气泵1位于气路开始端为整个气路中气体流动提供动力，其后接一个气体流量计2，用于控制气体流速；所述鼓泡装置3内为液态挥发性有机污染物，气体流量计2的气体出口通过管路与鼓泡装置3的气体入口相连通，气体进入鼓泡装置3后，在恒定流速和温度下，通过鼓泡方式形成带有目标污染物的模拟废气；所述鼓泡装置3的模拟废气出口通过管路与缓冲瓶4的气体入口相连通，模拟废气进入缓冲瓶4以减小气流中VOC的浓度波动；缓冲后的模拟废气通过缓冲瓶4的出口管路通入至阳极室5；所述阳极室5内的阳极产电微生物为希瓦氏产电菌，其负载在活性炭颗粒上填充阳极室5作为生物阳极，阳极室5内预埋石墨棒用来收集电子，阳极室5内预埋PVDF膜组件7用来富集扩散VOC至生物相，利用微生物降解VOC，气流从PVDF膜组件7上方进入，通过PVDF膜组件7后从阳极室5下方流出进入阴极室6底部，最后从阴极室6上端流出；所述质子交换膜9作为分隔层将阴阳两极分隔开，负载催化剂的活性碳毡阴极10紧贴质子交换膜9，通过导线将阳极预埋石墨棒与负载催化剂的活性碳毡阴极10连接并串接外电阻8构成闭合回路，从而形成外电路；所述紫外灯11在阴极室6外侧提供光源，负载催化剂的活性碳毡受光面积为5.5cm×12cm，整个装置处理后的废气经污染物浓度测量之后外排。所述阴极室6由石英玻璃制成。

气路中气体流速控制为30ml±1ml/min。

负载催化剂的活性碳毡10负载的催化剂为二氧化钛-氧化铈复合催化剂，催化剂由溶胶凝胶法制备，利用膜溶液将粉末催化剂负载至活性碳毡上。

外电阻8的阻值为1～2000Ω。

与阳极石墨棒平行插入一个饱和甘汞电极作为参比电极，使用万用表测量阳极电势和电池电势。

反应器阳极室内径尺寸长×宽×高为10cm×5.5cm×12cm，阴极室内径尺寸长×宽×高为3.5cm×5.5cm×12cm。

本发明的有益效果：本发明提供了一种新构型节能催化VOC处理装置，该装置可通过膜分离作用先使VOC扩散至生物相由生物降解，未处理的剩余污染物进入到阴极室经催化作用得以进一步去除，耦合装置提升了模拟废气中VOC的去除效率，空气阴极的设计避免了曝气带来的能耗，降低的成本同时系统有一定电能产出，在常温常压下实现了对含VOC废气的污染控制，且该装置结构简单，操作方便。

附图说明

图1是本发明的气路及耦合装置示意图。

图2是本发明阳极膜组件富集扩散乙酸乙酯性能图，横坐标表示时间，单位小时；纵坐标表示乙酸乙酯浓度，单位百万分之一(ppm)，方块表示初始进气浓度，圆点表示经阳极膜组件扩散后阳极出气浓度。

图3是本发明的耦合装置对乙酸乙酯的去除效果图，横坐标表示时间，单位小时；纵坐标表示乙酸乙酯浓度，单位百万分之一(ppm)。

图4是本发明的电池电势图，横坐标表示时间，单位小时；纵坐标表示电池电势，单位毫伏(mV)。

图5是本发明耦合装置对低浓度甲苯的去除效果图，横坐标表示时间，单位小时；纵坐标表示甲苯浓度，单位百万分之一(ppm)。

图6是本发明耦合装置对高浓度甲苯的去除效果图，横坐标表示时间，单位小时；纵坐标表示甲苯浓度，单位百万分之一(ppm)。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

实施例1：

结合图1，打开空气泵1为气体流动提供动力，气体流量计2将气体流速控制在一定流速(30ml±1ml/min)，装有一定量乙酸乙酯的鼓泡装置3放置于恒温水浴锅中用来产生含VOC的模拟废气，调整水浴锅温度使气路中乙酸乙酯的浓度为(100ppm左右)，在缓冲瓶4与阳极室5之间测量污染物浓度作为初始进气浓度，随后含乙酸乙酯的模拟废气进入PVDF膜组件7，经PVDF膜富集扩散后的乙酸乙酯被阳极微生物降解，在阳极室5和阴极室6之间测量乙酸乙酯浓度作为阳极出气浓度，去除性能如图2，此过程中产电微生物活性未出现下降，生物阳极电势保持稳定，为220mV±10mV。经生物阳极处理的模拟废气随后从阴极室6底部再次进入反应器，在紫外灯条件下被阴极催化剂进一步催化降解，在阴极室出气口检测乙酸乙酯浓度作为整个装置出气浓度，该耦合装置对含乙酸乙酯的模拟废气去除性能达60％-80％以上，如图3。在测量污染物浓度的同时，用万用表记录外电路电阻8的两端电压，即电池电势，污染物得到去除降解的同时，有一定电能产出，如图4。其中，阳极室所用PVDF膜组件的制备过程如下：

(1)碳纤维布预处理：将碳纤维布切割成30cm×15cm后浸没在无水乙醇和丙酮按体积比1：1进行混合的混合液中，超声一小时取出，去除碳纤维布表面杂质，再放入去离子水中超声一小时，清洗后放置于真空干燥箱内于60℃条件下充分干燥，备用；

(2)PVDF膜制备：称取2.000g聚偏氟乙烯(PVDF)和18.000g二甲基甲酰胺(DMF)于干燥的25ml烧杯中，磁力搅拌6小时形成白色半透明铸膜液，随后将搅拌好的PVDF铸膜液放置在超声环境下30分钟进行脱泡处理。预处理过后的碳纤维布平铺固定在平整的不锈钢板上，制备器刮膜厚度设置为400um，脱泡后的铸膜液倾倒在碳纤维布上使用制备器进行涂布，涂膜完毕后迅速把碳纤维布转移至去离子水槽内进行相转化，相转化时间控制在6小时以上，相转化完成后将碳纤维基PVDF膜在室温下自然晾干后剪取两片合适大小的碳纤维基PVDF膜，组装成膜组件，膜组件有效面积为5.5cm×2.5cm，放入反应器中用于富集扩散VOC至生物阳极。

实施例2：

结合图1，采用与实施例1中相同的气路装置，但将污染物更换为甲苯，同时改变气路运行方式并调整废气中甲苯浓度(60-1000ppm左右)，考虑到高浓度甲苯可能会对阳极微生物造成较大毒害作用，因此改变进气顺序，含甲苯废气先流经阴极室6，经催化降解后流经生物阳极室中的PVDF膜组7件，随后通过膜组件扩散至生物相被微生物降解，甲苯去除率高达96-98％，如图5、图6，结果表明，含VOC废气先经过阴极催化处理再由阳极生物降解的运行方式可达到更优的处理效果。

单一的VOC去除手段往往难以获得理想的去除效果，通过膜分离、生物降解、阴极催化新构型组合装置的构建，实现了对含VOC模拟废气中污染物的逐步去除，反应器可连续运行，并能同时产电，实现了VOC污染控制和废气资源化和能源化处理。

Claims (10)

1.一种新型挥发性有机污染物废气处理装置，为一种新型、节能的膜分离、生物降解、催化耦合VOC处理装置，其特征在于，所述的新型挥发性有机污染物废气处理装置包括空气泵(1)、气体流量计(2)、鼓泡装置(3)、缓冲瓶(4)、阳极室(5)、阴极室(6)、PVDF膜组件(7)、外电阻(8)、质子交换膜(9)、负载催化剂的活性碳毡(10)和紫外灯(11)；

所述空气泵(1)位于气路开始端为整个气路中气体流动提供动力，其后接一个气体流量计(2)，用于控制气体流速；所述鼓泡装置(3)内为液态挥发性有机污染物，气体流量计(2)的气体出口通过管路与鼓泡装置(3)的气体入口相连通，气体进入鼓泡装置(3)后，在恒定流速和温度下，通过鼓泡方式形成带有目标污染物的模拟废气；所述鼓泡装置(3)的模拟废气出口通过管路与缓冲瓶(4)的气体入口相连通，模拟废气进入缓冲瓶(4)以减小气流中VOC的浓度波动；缓冲后的模拟废气通过缓冲瓶(4)的出口管路通入至阳极室(5)；所述阳极室(5)内的阳极产电微生物为希瓦氏产电菌，其负载在活性炭颗粒上填充阳极室(5)作为生物阳极，阳极室(5)内预埋石墨棒用来收集电子，阳极室(5)内预埋PVDF膜组件(7)用来富集扩散VOC至生物相，利用微生物降解VOC，气流从PVDF膜组件(7)上方进入，通过PVDF膜组件(7)后从阳极室(5)下方流出进入阴极室(6)底部，最后从阴极室(6)上端流出；所述质子交换膜(9)作为分隔层将阴阳两极分隔开，负载催化剂的活性碳毡阴极10紧贴质子交换膜(9)，通过导线将阳极预埋石墨棒与负载催化剂的活性碳毡阴极10连接并串接外电阻(8)构成闭合回路，从而形成外电路；所述紫外灯(11)在阴极室(6)外侧提供光源，负载催化剂的活性碳毡受光面积为5.5cm×12cm，整个装置处理后的废气经污染物浓度测量之后外排。

2.根据权利要求1所述的新型挥发性有机污染物废气处理装置，其特征在于，所述的负载催化剂的活性碳毡(10)负载的催化剂为二氧化钛-氧化铈复合催化剂，催化剂由溶胶凝胶法制备，利用膜溶液将粉末催化剂负载至活性碳毡上。

3.根据权利要求1或2所述的新型挥发性有机污染物废气处理装置，其特征在于，气路中气体流速控制为29～31ml/min。

4.根据权利要求1或2所述的新型挥发性有机污染物废气处理装置，其特征在于，所述的外电阻(8)的阻值为1～2000Ω。

5.根据权利要求3所述的新型挥发性有机污染物废气处理装置，其特征在于，所述的外电阻(8)的阻值为1～2000Ω。

6.根据权利要求1、2或5所述的新型挥发性有机污染物废气处理装置，其特征在于，与阳极石墨棒平行插入一个饱和甘汞电极作为参比电极，使用万用表测量阳极电势和电池电势。

7.根据权利要求3所述的新型挥发性有机污染物废气处理装置，其特征在于，与阳极石墨棒平行插入一个饱和甘汞电极作为参比电极，使用万用表测量阳极电势和电池电势。

8.根据权利要求4所述的新型挥发性有机污染物废气处理装置，其特征在于，与阳极石墨棒平行插入一个饱和甘汞电极作为参比电极，使用万用表测量阳极电势和电池电势。

9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的新型挥发性有机污染物废气处理装置，其特征在于，所述的阳极室(5)内径尺寸长×宽×高为10cm×5.5cm×12cm；所述的阴极室(6)由石英玻璃制成，内径尺寸长×宽×高为3.5cm×5.5cm×12cm。

10.根据权利要求6所述的新型挥发性有机污染物废气处理装置，其特征在于，所述的阳极室(5)内径尺寸长×宽×高为10cm×5.5cm×12cm；所述的阴极室(6)由石英玻璃制成，内径尺寸长×宽×高为3.5cm×5.5cm×12cm。