CN110465188A - 一种有机废气处理装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种有机废气处理装置及方法，装置包括预处理水洗反应器和光催化反应器，预处理水洗反应器自下而上依次设置有雾化器、洗涤器和脱水除雾器；雾化器的底部和顶部分别设置有水槽和若干个雾化喷头；洗涤器包括若干平行设置的洗涤层；脱水除雾器包括设置在下方的网状栅板和铺设在网状栅板上的硅胶干燥剂；光催化反应器为密闭箱体且箱体内部表面设置有反光层，光催化反应器包括横向设置的若干个光催化柱体，每个光催化柱体中间设置有一根紫外线灯管。本发明在整个有机废气处理装置中设置预处理水洗反应器，可以先除去有机废气中的酸性气体，防止装置被腐蚀进而缩短使用寿命，大幅度提高光催化氧化效率，同时整个装置结构紧凑，方便运行管理。

Description

一种有机废气处理装置及方法
技术领域
本本发明属于废气处理的技术领域，具体涉及一种有机废气处理装置及方法。
背景技术
随着工业化进程的加快和发展所造成的环境恶化，特别是大气污染，已成为亟待解决的城市环保问题之一。VOCs是石油化工、制药、印刷、制鞋和喷漆等行业排放的最常见的污染物。这些物质主要有硫化氢、硫醇类、氨、胺类、硝基化合物、烃类、脂肪酸类、醇类、酚类、酯类以及有机卤系衍生物等。这些有机物大多具有毒性，部分已被列为致癌物，如氯乙烯、苯、多环芳烃等。多数VOCs易燃易爆，对生产企业的安全造成威胁；部分VOCs对臭氧层具有破坏作用，如氯氟烃(CFCs)和含氢氯氟烃(HCFCls)。VOCs是产生臭氧污染和光化学污染的主要污染源，环保部已将其列为细颗粒物之外最大的空气污染元凶，它也是导致灰霾天气的重要前体物之一。
目前常用的有机废气的处理方法有冷凝回收法、吸附法、生物法、液体吸收法、直接燃烧法、吸附催化燃烧法以及低温等离子体技术。由于不同条件下产生废气浓度和排放量具有较大差异，因此也会常见两种和多种方法耦合使用的情况。但会出现系统流程相对复杂、不能回收污染物质、设备体积大、投资较高、需要温度高、耗费燃料多等问题。
关于纳米TiO2光催化治理废气的研究较多，但也存在较多缺陷。例如公开号为CN107998881A公开了一种用于低浓度有机废气处理的模组式UV-纳米TiO2光催化装置，该装置利用毛线作为载体负载TiO2，用UV灯管作为光源，对有机废气进行处理，但该装置制作过程复杂，成本高；公开号为CN105879664A公开了一种处理有机废气的光催化反应器，该装置利用活性炭作为载体负载TiO2，但活性炭吸附装置产生的饱和活性炭属于危险废物，处理不当易造成二次污染，增加成本。同时两种技术均未设置预处理水洗反应器，有机废气中的酸性气体易腐蚀装置，缩短使用周期。
本发明所采用的光催化氧化是在一定光照下，利用催化剂的光催化活性，使吸附在其表面的VOCs发生氧化还原反应，最终将有机物氧化为CO2、H2O及无机小分子物质，是一种新型且优良的处理有机挥发性废气的方式。本发明以活性高、热稳定性好、持续性长、价格便宜的TiO2作为光催化剂，以具有良好吸附性的中空纤维作为载体，将中空纤维的吸附性能与纳米TiO2的光催化性能相结合，利用中空纤维良好的吸附性为光催化反应提供一个高浓度污染物的环境，将会大大提高光催化的反应速率，从而提高污染物的降解效果。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种有机废气的装置，通过设置预处理水洗反应器，可以除去有机废气中的酸性气体，防止装置被腐蚀，缩短使用周期，还可以大幅度提高光催化氧化效率。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
如图1、图2、图3所示，一种有机废气处理装置，包括预处理水洗反应器和光催化反应器，预处理水洗反应器自下而上依次设置有雾化器1、洗涤器2和脱水除雾器3；雾化器1的底部和顶部分别设置有水槽101和若干个雾化喷头102；洗涤器2包括若干平行设置的洗涤层201，洗涤层201以不锈钢丝网和防水透气膜为支撑面，防水透气膜置于不锈钢丝网上，防水透气膜上设置有使用无水乙醇浸泡过的海绵层；脱水除雾器3包括设置在下方的网状栅板301和铺设在网状栅板301上的硅胶干燥剂302；光催化反应器为密闭箱体且箱体内部表面设置有反光层12，光催化反应器包括横向设置的若干个光催化柱体4，每个光催化柱体4中间设置有一根紫外线灯管5；预处理水洗反应器的底部和顶部分别设置进气口6和预处理废气出气口7，光催化反应器的而底部和顶部分别设置预处理废气进气口8和排气口9，预处理废气出气口7和处理废气进气口8通过输气管道10相连通。
本技术方案中，进一步地，光催化柱体4的主体为ABS环形支撑骨架401，ABS环形支撑骨架401上缠绕有负载TiO2的中空纤维束402。
进一步地，ABS环形支撑骨架401的直径为80mm，长度为1200mm。
进一步地，紫外线灯管5的管径为18mm，长度为1200mm，波长为254nm，功率为20W。
进一步地，光催化柱体4在光催化反应器的纵向截面上呈梅花桩式错位布设。
进一步地，雾化器1、洗涤器2和脱水除雾器3的体积比为3：2：2。
进一步地，雾化喷头102为高压旋转喷头，在预处理水洗反应器的横向截面上呈梅花桩式错位布设，喷射面覆盖整个过滤截面。
进一步地，输气管道10上设置有抽气泵11。
进一步地，光催化反应器的箱体材质为不锈钢。
进一步地，光催化柱体4的两端设置有倒钩13，光催化反应器的侧壁上设置有钩环15，倒钩13与钩环15相扣，将光催化柱体4固定在光催化反应器上。
基于上述有机废气处理装置的有机废气处理方法，包括以下步骤：
(1)有机废气从进气口6进入预处理水洗反应器后依次经过雾化器1和洗涤器2，去除包括酸性气体和其他易溶于水的气体，再经过脱水除雾器3，去除有机废气中体积较大的液滴或水雾；
(2)经预处理反应器处理后的有机废气从预处理废气出气口7沿输气管道10进入光催化反应器的预处理废气进气口8；
(3)有机废气在光催化反应器的内部通过与气流相垂直的光催化柱体4，在紫外线灯管5的照射下，通过光催化剂的催化，分解为CO2、H2O和无机小分子物质；
(4)分解后的气体从排气口9排出。
本发明中的光催化剂的制备方法如下：将中空纤维束浸入TiO2溶胶中，浸泡30min，取出自然干燥，表面形成凝胶薄膜后放入温度为60℃的干燥箱，干燥8小时后取出，在空气中冷却，重复上述浸渍负载的过程，负载达到所需层数后完成负载。
TiO2溶胶的制备方法如下：采用钛酸丁酯为主要原料，在室温下，先将钛酸丁酯与无水乙醇混合，再缓慢滴入冰醋酸、水和无水乙醇的混合溶液，滴速为1滴/s，并不断搅拌，控制钛酸丁酯︰无水乙醇︰去离子水︰冰醋酸体积比为17︰80︰2︰5，调整溶胶pH值为4，能得到稳定的溶胶体系，在溶胶中掺杂摩尔分数为1％的过渡金属钴进一步减小TiO2晶粒尺寸，提高其光催化活性，溶胶形成凝胶后，陈化时间约为22小时。
以上反应过程中，钛酸丁酯溶于乙醇溶剂中，和水发生水解反应，生成TiO2；和冰醋酸发生螯合反应，控制水解速率，抑制沉淀生成，以形成稳定溶胶，具体的反应过程如下：
(1)钛酸丁酯的水解反应和聚合反应
Ti(OBu)4+4H2O→Ti(OH)4+4BuOH
Ti(OH)4+Ti(OBu)4→2TiO2+4BuOH
Ti(OH)4+Ti(OH)4→2TiO2+4H2O
(2)加入冰醋酸时发生的螯合反应
Ti(OBu)4+nCH3COOH→(BuO)4-nTi(OOCH3)n+nBuOH
式中：—OBu为(—OC4H9)
有益效果
本发明在整个有机废气处理装置中设置预处理水洗反应器，可以先除去有机废气中的酸性气体，防止装置被腐蚀进而缩短使用寿命，大幅度提高光催化氧化效率，同时整个装置结构紧凑，方便运行管理。
在预处理水洗反应器中，雾化器有多组雾化喷头，喷射面覆盖整个过滤截面，喷射液滴较小和杂质的接触性能好，起预过滤作用，同时也对后面的洗涤器起到了补水的作用，包括酸性气体在内的易溶于水的气体在洗涤器中通过液膜的过程中被除去，最后有机废气再经过水洗反应器的脱水除雾器去除体积较大的液滴或水雾。
本发明使用的光催化剂以中空纤维为载体负载TiO2，将中空纤维的的吸附性能与纳米TiO2的光催化性能相结合，利用中空纤维良好的吸附性为光催化反应提供一个高浓度污染物的环境，提高了光催化的反应速率，从而提高污染物的降解效果。有机废气处理装置运行一个周期后，可将负载型纳米TiO2光催化剂取出，对中空纤维进行冲洗，将催化剂去除，中空纤维可二次使用，清洁环保。
光催化反应器中的光催化柱体呈梅花桩型错位分布，这样可以保证有机废气和光催化柱体充分接触，提高光催化效率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明有机废气处理装置的结构示意图。
图2是本发明光催化柱体的结构示意图。
图3是本发明光催化反应器的侧视结构示意图。
附图中：
1、雾化器 101、水槽 102、雾化喷头 2、洗涤器
201、洗涤层 3、脱水除雾器 301、栅板 302、硅胶干燥剂
4、光催化柱体 401、ABS环形支撑骨架 402、负载TiO2的中空纤维束 5、紫外线灯管
6、进气口 7、预处理废气出气口 8、预处理废气进气口 9、排气口
10、输气管道 11、抽气泵 12、反光层 13.倒钩
14、钩环
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、图2和图3所示，一种有机废气处理装置，包括预处理水洗反应器和光催化反应器，预处理水洗反应器自下而上依次设置有雾化器1、洗涤器2和脱水除雾器3；雾化器1的底部和顶部分别设置有水槽101和若干个雾化喷头102；洗涤器2包括若干平行设置的洗涤层201，洗涤层201以不锈钢丝网和防水透气膜为支撑面，防水透气膜置于不锈钢丝网上，防水透气膜上设置有使用无水乙醇浸泡过的海绵层；脱水除雾器3包括设置在下方的网状栅板301和铺设在网状栅板301上的硅胶干燥剂302；光催化反应器为密闭箱体且箱体内部表面设置有反光层12，光催化反应器包括横向设置的若干个光催化柱体4，每个光催化柱体4中间设置有一根紫外线灯管5；预处理水洗反应器的底部和顶部分别设置进气口6和预处理废气出气口7，光催化反应器的而底部和顶部分别设置预处理废气进气口8和排气口9，预处理废气出气口7和处理废气进气口8通过输气管道10相连通。
光催化柱体4的主体为ABS环形支撑骨架401，ABS环形支撑骨架401上缠绕有负载TiO2的中空纤维束402。
ABS环形支撑骨架401的直径为80mm，长度为1200mm。
紫外线灯管5的管径为18mm，长度为1200mm，波长为254nm，功率为20W。
光催化柱体4在光催化反应器的纵向截面上呈梅花桩式错位布设。
雾化器1、洗涤器2和脱水除雾器3的体积比为3：2：2。
雾化喷头102为高压旋转喷头，在预处理水洗反应器的横向截面上呈梅花桩式错位布设，喷射面覆盖整个过滤截面。
输气管道10上设置有抽气泵11。
光催化反应器的箱体材质为不锈钢。
光催化柱体4的两端设置有倒钩13，光催化反应器的侧壁上设置有钩环15，倒钩13与钩环15相扣，将光催化柱体4固定在光催化反应器上。
基于上述有机废气处理装置的有机废气处理方法，包括以下步骤：
(1)有机废气从进气口6进入预处理水洗反应器后依次经过雾化器1和洗涤器2，去除包括酸性气体和其他易溶于水的气体，再经过脱水除雾器3，去除有机废气中体积较大的液滴或水雾；
(2)经预处理反应器处理后的有机废气从预处理废气出气口7沿输气管道10进入光催化反应器的预处理废气进气口8；
(3)有机废气在光催化反应器的内部通过与气流相垂直的光催化柱体4，在紫外线灯管5的照射下，通过光催化剂的催化，分解为CO2、H2O和无机小分子物质；
(4)分解后的气体从排气口9排出。
利用本装置分别对含甲苯的有机废气和含异辛烷的有机废气处理，连续运行一个月，每周对排气口的废气进行监测，以确定本装置稳定运行，且保持较高的处理率。对于处理前有机废气中甲苯或者异辛烷的浓度进行检测，装置运行一个月后，对于排气口所排气体中甲苯或者异辛烷的浓度再次进行检测，检测结果如下表所示：
监测有机废气的种类 含甲苯的有机废气 含异辛烷的有机废气
处理前有机废气中甲苯或者异辛烷的浓度 400mg/m<sup>3</sup> 50mg/m<sup>3</sup>
处理后有机废气中甲苯或者异辛烷的浓度 38.9mg/m<sup>3</sup> 5.6mg/m<sup>3</sup>
处理效率 90.28％ 88.80％
由表可知，有机废气经本装置处理后，甲苯和异辛烷都得到了较好的去除效果，甲苯和异辛烷的去除率都达到了90％左右。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种有机废气处理装置，其特征在于：包括预处理水洗反应器和光催化反应器，所述预处理水洗反应器自下而上依次设置有雾化器、洗涤器和脱水除雾器；所述雾化器的底部和顶部分别设置有水槽和若干个雾化喷头；所述洗涤器包括若干平行设置的洗涤层，所述洗涤层以不锈钢丝网和防水透气膜为支撑面，所述防水透气膜置于不锈钢丝网上，所述防水透气膜上设置有使用无水乙醇浸泡过的海绵层；所述脱水除雾器包括设置在下方的网状栅板和铺设在网状栅板上的硅胶干燥剂；所述光催化反应器为密闭箱体且箱体内部表面设置有反光层，所述光催化反应器包括横向设置的若干个光催化柱体，每个所述光催化柱体中间设置有一根紫外线灯管；所述预处理水洗反应器的底部和顶部分别设置进气口和预处理废气出气口，所述光催化反应器的而底部和顶部分别设置预处理废气进气口和排气口，所述预处理废气出气口和处理废气进气口通过输气管道相连通。
2.根据权利要求1所述的有机废气处理装置，其特征在于：所述光催化柱体的主体为ABS环形支撑骨架，所述ABS环形支撑骨架上缠绕有负载TiO2的中空纤维束。
3.根据权利要求2所述的有机废气处理装置，其特征在于：所述ABS环形支撑骨架的直径为80mm，长度为1200mm。
4.根据权利要求1所述的有机废气处理装置，其特征在于：所述的紫外线灯管的管径为18mm，长度为1200mm，波长为254nm，功率为20W。
5.根据权利要求1所述的有机废气处理装置，其特征在于：所述光催化柱体在光催化反应器的纵向截面上呈梅花桩式错位布设。
6.根据权利要求1所述的有机废气处理装置，其特征在于：所述雾化器、洗涤器和脱水除雾器的体积比为3：2：2。
7.根据权利要求1所述的有机废气处理装置，其特征在于：所述雾化喷头为高压旋转喷头，在预处理水洗反应器的横向截面上呈梅花桩式错位布设，喷射面覆盖整个过滤截面。
8.根据权利要求1所述的有机废气处理装置，其特征在于：所述输气管道上设置有抽气泵。
9.根据权利要求1所述的有机废气处理装置，其特征在于：所述光催化柱体的两端设置有倒钩，所述光催化反应器的侧壁上设置有钩环，所述倒钩与钩环相扣，固定光催化柱体。
10.根据权利要求1至9任一项所述的有机废气处理装置的有机废气处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将有机废气从进气口通入到预处理水洗反应器后，有机废气依次经过雾化器和洗涤器，去除包括酸性气体和其他易溶于水的气体，再经过脱水除雾器，去除有机废气中体积较大的液滴或水雾；
(2)经预处理反应器处理后的有机废气从预处理废气出气口沿输气管道进入光催化反应器的预处理废气进气口；
(3)有机废气在光催化反应器的内部通过与气流相垂直的光催化柱体，在紫外线灯管的照射下，通过光催化剂的催化，分解为CO2、H2O和无机小分子物质；
(4)分解后的气体从排气口排出。
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