CN110975560A - VOCs废气净化处理方法和装置 - Google Patents

VOCs废气净化处理方法和装置 Download PDF

Info

Publication number
CN110975560A
CN110975560A CN201911396167.3A CN201911396167A CN110975560A CN 110975560 A CN110975560 A CN 110975560A CN 201911396167 A CN201911396167 A CN 201911396167A CN 110975560 A CN110975560 A CN 110975560A
Authority
CN
China
Prior art keywords
reactor
photo
waste gas
catalytic
light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201911396167.3A
Other languages
English (en)
Inventor
朱荣淑
赵畦彤
朱满玉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology filed Critical Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Priority to CN201911396167.3A priority Critical patent/CN110975560A/zh
Publication of CN110975560A publication Critical patent/CN110975560A/zh
Priority to PCT/CN2020/141342 priority patent/WO2021136364A1/zh
Priority to US17/809,902 priority patent/US20220331739A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/75—Multi-step processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/007—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by irradiation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/86—Catalytic processes
    • B01D53/864—Removing carbon monoxide or hydrocarbons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/86—Catalytic processes
    • B01D53/8678—Removing components of undefined structure
    • B01D53/8687—Organic components
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/86—Catalytic processes
    • B01D53/869—Multiple step processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2251/00—Reactants
    • B01D2251/10—Oxidants
    • B01D2251/104—Ozone
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/20—Metals or compounds thereof
    • B01D2255/207—Transition metals
    • B01D2255/20707—Titanium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/20—Metals or compounds thereof
    • B01D2255/207—Transition metals
    • B01D2255/2073—Manganese
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/80—Type of catalytic reaction
    • B01D2255/802—Photocatalytic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/70—Organic compounds not provided for in groups B01D2257/00 - B01D2257/602
    • B01D2257/702—Hydrocarbons
    • B01D2257/7027—Aromatic hydrocarbons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/70—Organic compounds not provided for in groups B01D2257/00 - B01D2257/602
    • B01D2257/708—Volatile organic compounds V.O.C.'s
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/91—Bacteria; Microorganisms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/80—Employing electric, magnetic, electromagnetic or wave energy, or particle radiation
    • B01D2259/802—Visible light
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/80—Employing electric, magnetic, electromagnetic or wave energy, or particle radiation
    • B01D2259/804—UV light
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/80—Employing electric, magnetic, electromagnetic or wave energy, or particle radiation
    • B01D2259/806—Microwaves

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Exhaust Gas Treatment By Means Of Catalyst (AREA)
  • Disinfection, Sterilisation Or Deodorisation Of Air (AREA)

Abstract

本发明公开了一种VOCs废气净化处理方法和装置，该VOCs废气净化处理方法包括以下步骤：将VOCs废气通入光氧化反应器中，在光一照射下进行光解和光氧化，得到含臭氧的混合气一；将混合气一通入填充有臭氧氧化催化剂的催化臭氧氧化反应器中，进行催化臭氧氧化反应，得混合气二；再将混合气二通入填充有光催化剂的光催化反应器中，在光二照射下进行光催化反应。通过以上方式，能够提高对VOCs废气的处理效率，矿化率高，能耗和成本低。

Description

VOCs废气净化处理方法和装置
技术领域
本发明涉及废气处理技术领域，尤其是涉及一种VOCs废气净化处理方法和装置。
背景技术
挥发性有机物(VOCs)是重要防控的空气污染物质之一，其对人体的危害以及环境的破坏引发了广泛关注，对VOCs的治理已全面展开。现有常用的VOCs治理方法主要有燃烧法、吸附法、吸收法、冷凝法、等离子体法、生物法、光催化法、臭氧催化氧化法等，其中燃烧法会产生二次污染；吸附法、吸收法需要定期更换吸附剂和吸收液，维护成本高；冷凝法不能处理成分复杂的气态污染物，而且运行成本高；等离子体法能耗高，易产生二次污染，运行成本高；生物法需要根据污染物培养特定的微生物，操作麻烦且不易控制；臭氧催化氧化法需要臭氧发生器产生大量臭氧，投资成本高。而上述行业相关企业一般规模不大，不会投入大量资金去处理废气，通常使用活性炭吸附技术，虽然投资成本低，但需要定期更换活性炭，维护困难且运行成本高，因此开发一种成本低且对难降解的废气处理效率高的VOCs处理技术十分重要。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种VOCs废气净化处理方法和装置，能够提高对VOCs废气的处理效率，且矿化率高。
本发明所采取的技术方案是：
本发明的第一方面，提供一种VOCs废气净化处理方法，包括以下步骤：
S1、将VOCs废气通入光氧化反应器中，在光一照射下进行光解和光氧化，得到含臭氧的混合气一；
S2、将步骤S1所得含臭氧的混合气一通入填充有臭氧氧化催化剂的催化臭氧氧化反应器中，进行催化臭氧氧化反应，得混合气二；
S3、将步骤S2所得的混合气二通入填充有光催化剂的光催化反应器中，在光二照射下进行光催化反应。
根据本发明的一些实施例，所述光一为真空紫外光，所述光二为紫外光；优选地，光一为波长小于或等于185nm的真空紫外光；光二为波长小于或等于254nm的紫外光。
根据本发明的一些实施例，所述光一和所述光二由同一光源发出。优选地，所述光源为紫外灯。通过以上方式，VOCs废气可先在光氧化反应器中利用光源所发出且具有特定波长的光一(一般为波长小于或等于185nm的真空紫外光)进行光解和光氧化反应，且在光一的作用下废气中的O2转变成O3；另外，在光催化反应器中，混合气二可进一步利用在光氧化反应器中未被利用的光二(一般为波长小于或等于254nm的紫外光)进行光催化反应，且根据不同反应对不同波长光的要求，设置净化处理工艺，充分利用光能，节约能耗，降低处理成本，提高废气的处理效率。
根据本发明的一些实施例，所述光源为微波无极紫外灯，具体需通过微波发射装置向微波无极紫外灯发射的微波激发控制其运行。采用微波无极紫外灯对气态污染物有较高的去除率。
另外，具体可将步骤S1中的光氧化反应器和步骤S3中的光催化反应器均设置在微波发射装置的微波谐振腔内，进而通过微波发射装置所发射微波可激发控制无极紫外灯发射运行的同时，辅助促进光氧化反应器和光催化反应器内反应的进行。以上通过加入微波(频率在300MHz-300 GHz范围内的电磁波)，可以在较低的温度下去除气态污染物；且可在一定程度上增强光催化剂的活性，提高污染物的去除效率。
根据本发明的一些实施例，步骤S2中，所述臭氧氧化催化剂选自过渡金属氧化物、过渡金属氧化物与分子筛的复合催化剂中的至少一种；过渡金属氧化物具体可为Mn、Fe、Co、Ni、V、Cu、Ce、Ag等过渡金属的氧化物中的至少一种。优选地，臭氧氧化催化剂选自MnO2、MnO2/分子筛复合催化剂中的至少一种。进一步优选地，臭氧氧化催化剂为δ-MnO2/分子筛复合催化剂。δ-MnO2/分子筛复合催化剂具体可以为δ-MnO2/USY分子筛复合催化剂；其可通过以下方法进行制备：将KMnO4和USY分子筛混合后，加入去离子水，混合搅匀；加入MnSO4水溶液，充分搅匀后，进行水热反应，水热反应温度一般为150～170℃；反应完成后冷却至室温，经抽滤、洗涤、干燥、研磨，过40～60目筛制得。
根据本发明的一些实施例，步骤S3中，所述光催化剂选自BiVO4、TiO2、TiO2/SiO2复合催化剂中的至少一种。优选采用TiO2/SiO2复合催化剂，TiO2/SiO2复合催化剂可通过以下方法制备：将硅溶胶与硅烷偶联剂混合搅匀后，加入六偏磷酸钠，搅匀后调节pH至2～3；再加入二氧化钛，充分搅匀，而后干燥、研磨，过40～60目筛制得。
根据本发明的一些实施例，所述VOCs废气净化处理方法还包括：步骤S4、将步骤S3处理后的气体通入填充有热催化剂的加热催化反应器中，在微波作用下进行微波加热催化反应。其中，热催化剂具体可选用吸热性较好的MnO2催化剂。通过该步骤S4可以进一步保证VOCs废气的处理效果，提高矿化率。
本发明的第二方面，提供一种VOCs废气净化处理装置，包括依次连通的光氧化反应器、催化臭氧氧化反应器和光催化反应器；所述光氧化反应器具有反应腔一和连通所述反应腔一的进气口，所述反应腔一内设有紫外灯；所述催化臭氧氧化反应器具有反应腔二，所述反应腔二内填充有臭氧氧化催化剂；所述光催化反应器具有反应腔三和连通所述反应腔三的出气口，所述反应腔三内填充有光催化剂；所述光氧化反应器上具有用于分隔所述反应腔一和所述反应腔三的透光侧壁。
根据本发明的一些实施例，所述紫外灯为微波无极紫外灯，所述VOCs废气净化处理装置还包括用于激发控制所述微波无极紫外灯运行的微波发射装置。
根据本发明的一些实施例，所述VOCs废气净化处理装置还包括连通所述光催化反应器的出气口的加热催化反应器，所述加热催化反应器具有反应腔四和连通所述反应腔四的出气口，所述反应腔四内填充有热催化剂；所述微波发射装置还用于对所述加热催化反应器进行微波加热。
根据本发明的一些实施例，所述反应腔内设有用于安装支撑所述紫外灯的安装支架。
根据本发明的一些实施例，所述光氧化反应器设于所述光催化反应器内，且所述光氧化反应器的侧壁为透光侧壁。
本发明实施例的有益效果是：
本发明实施例提供了一种VOCs废气净化处理方法，该方法通过将VOCs废气依次通入光氧化反应器、催化臭氧氧化反应器和光催化反应器中，首先在光氧化反应器中利用光一进行光解和光氧化，在此过程中，VOCs废气中的氧气在光一的作用下产生强氧化性自由基和臭氧，形成含臭氧的混合气一；而后将含有臭氧的混合气一通入催化臭氧氧化反应器，在臭氧氧化催化剂的作用下，利用混合气一中的臭氧进行催化臭氧氧化反应，将小分子污染物降解为二氧化碳和水等无害分子，形成混合气二；再将混合气二通入光催化反应器中，在光二和光催化剂的作用下，进行光催化反应，进一步氧化和降解混合气二中的甲苯等污染物；通过以上方式，高效利用高能光光解和光氧化、催化臭氧氧化和光催化多重效应的协同作用，可提高VOCs废气的处理效率，矿化率高，能耗和成本低。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单说明。
图1是本发明VOCs废气净化处理装置一实施例的结构示意图；
图2是图1所示VOCs废气净化处理装置中用于安装支撑紫外灯的安装支架的结构示意图；
图3是图1所示VOCs废气净化处理装置的长时间运行实验效果图；
图4是图1所示VOCs废气净化处理装置的长时间运行后催化剂原位再生甲苯解吸量与COx生成量变化曲线图；
图5是图1所示VOCs废气净化处理装置的长时间运行后催化剂原位再生后去除甲苯的性能效果图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
请参阅图1和图2，图1是本发明VOCs废气净化处理装置一实施例的结构示意图，图2是图1所示VOCs废气净化处理装置中用于安装支撑紫外灯的安装支架的结构示意图。如图1和图2所示，本实施例VOCs废气净化处理装置包括依次连通的光氧化反应器1、催化臭氧氧化反应器2、光催化反应器3和微波发射装置4。
光氧化反应器1具有反应腔一和连通反应腔一的进气口，反应腔一内设有紫外灯(图中未示出)。在本实施例中，紫外灯具体为微波无极紫外灯，其直径为20mm，长300mm；反应腔一内具体设有两根微波无极紫外灯管，为了便于微波无极灯管的安装，反应腔一内设有用于安装支撑紫外灯的安装支架11。在本实施例中，安装支架11具体如图2所示，其包括相对设置的两块“8”字型安装板111，以及设于两安装板111之间、用于连接支撑两安装板111的支撑柱112；相对设置的两块“8”字型安装板111配合形成两组用于安装紫外灯管的安装通孔，通孔直径具体为21mm；紫外灯管的两端分别套设固定于安装板111的通孔上。安装板111和支撑柱112具体为石英材质。在其他实施例中，紫外灯的设置个数和形状尺寸也可根据情况进行调整，也可将安装支架11设计为其他结构。
一般而言，在紫外灯灯管之间，以及紫外灯灯管和光氧化反应器1之间一般存在间隙，不接触；基于此，本实施例中光氧化反应器1具体设计为内径为50mm、长为350mm的中空圆柱形结构，并且，为便于紫外灯的安装放置，光氧化反应器1的两端为不锈钢转接头，接进气管和出气管，进气管和出气管具体可采用直径为3mm的聚四氟乙烯管。当然，可根据实际情况调整光氧化反应器1的结构和尺寸。
催化臭氧氧化反应器2具有反应腔二，反应腔二内填充有臭氧氧化催化剂。催化臭氧氧化反应器2具体可采用内径为10mm、长度为400mm的中空圆柱型结构，且两端设有不锈钢转接头，且两端的不锈钢转接头分别连接进气管和出气管，进气管和出气管具体可采用直径为3mm的聚四氟乙烯管。
臭氧氧化催化剂选自过渡金属氧化物、过渡金属氧化物与分子筛的复合催化剂中的至少一种，过渡金属氧化物具体可为Mn、Fe、Co、Ni、V、Cu、Ce、Ag等过渡金属的氧化物中的至少一种；臭氧氧化催化剂优选为MnO2、MnO2/分子筛复合催化剂中的至少一种；进一步优选地，臭氧氧化催化剂为δ-MnO2/分子筛复合催化剂。本实施例所采用的臭氧氧化催化剂为δ-MnO2/分子筛复合催化剂，具体为δ-MnO2/USY分子筛复合催化剂，其可通过包括以下步骤的制备方法进行制备：称量0.3g KMnO4和1.7g USY分子筛放入250mL烧杯中①，加入40mL去离子水，磁力搅拌30min，然后称量0.055g MnSO4·H2O放入100mL烧杯中，加入40mL去离子水，缓慢倒入烧杯①中，再磁力搅拌30min，将搅拌后的溶液移至100mL的特氟龙反应釜中，160℃水热反应24h，自然冷却至室温，抽滤、洗涤，80℃干燥12h，研磨、筛分出40～60目的固体颗粒。
光催化反应器3具有反应腔三和连通反应腔三的出气口，反应腔三内填充有光催化剂。光催化剂可选用BiVO4、TiO2、TiO2/SiO2复合催化剂中的至少一种，优选采用TiO2/SiO2复合催化剂。在本实施例中，光催化剂具体为TiO2/SiO2复合催化剂，其可通过包括以下步骤的制备方法进行制备：称取25g硅溶胶放入250mL烧杯中，量取3mLKH-570加入到烧杯中，搅拌10min，称取0.2g六偏磷酸钠加入到烧杯中，搅拌5min，调节pH为2，称取10gP25加入到烧杯中，磁力搅拌1h，80℃干燥12h，研磨、筛分出40～60目的固体颗粒。
光氧化反应器1上具有用于分隔反应腔一和反应腔三的透光侧壁。在本实施例中，光氧化反应器1设于光催化反应器3内，且光氧化反应器1的侧壁为透光侧壁，以使光氧化反应器1内VOCs废气可先利用微波无极紫外灯发出的高能真空紫外光一(如波长小于或等于185nm的真空紫外光)进行光解和光氧化，在此过程中可将气体中的氧气转换成具有强氧化性的自由基和臭氧；而未被利用的紫外光二(包括波长小于或等于254nm的紫外光)可通过光氧化反应器1的透光侧壁照射到光催化反应器3的反应腔三内，以促使废气在紫外光二和光催化剂的作用下进行光催化反应，进一步氧化降解废气中的甲苯等污染物。通过以上结构设置，可实现提高废气处理能力和效率的同时，以充分利用光能，节约能耗，降低处理成本。
当然，也可根据实际情况，调整光氧化反应器1和光催化反应器3的相对位置以及侧壁的结构。例如，可将光氧化反应器1和光催化反应器3设置为中空方形柱体结构，两者并排设置，且光氧化反应器1的反应腔一和光催化反应器3的反应腔三通过透光侧壁分隔，以使光氧化反应器1内未被利用紫外光通过透光侧壁照射到光催化反应器3内，以进一步利用。
另外，微波发射装置4主要用于通过发射微波激发控制微波无极紫外灯的运行，同时所发射的微波也可增强反应腔三内所填充的光催化剂的活性，提高污染物的去除效率。
在其他实施例中，VOCs废气净化处理装置在以上结构基础上，还可包括连通光催化反应器出气口的加热催化反应器，加热催化反应器具有反应腔四和连通反应腔四的出气口，反应腔内填充有热催化剂，还可利用微波发射装置4对光催化反应器进行微波加热。通过以上加热催化反应器的设置，可进一步保证处理能力和处理效果。
本实施例的VOCs废气净化处理装置联合利用高能紫外光光解和光氧化、催化臭氧氧化和光催化的协同作用进行VOCs废气净化处理，该处理过程具体包括以下步骤：
S1、启动微波发射装置4，通过微波发射装置4发射微波激发微波无极紫外灯运动，并可通过控制微波功率激发微波无极紫外灯发出以185nm真空紫外光和254nm紫外光为主的混合光。
S2、将含甲苯的VOCs废气从光氧化反应器1上的进气口通入光氧化反应器1的反应腔一中，在波长小于或等于185nm的高能真空紫外光作用下进行光解和光氧化，断链或开环转化为醛、酮、酸或酯等小分子有机物，或直接被矿化为CO2、H2O等无机物；同时，VOCs废气中的O2在小于或等于185nm波长的高能紫外光作用下产生强氧化性自由基和臭氧(O3)，形成含臭氧的混合气一。
S3、将步骤S2所得的混合气一通入填充有δ-MnO2/USY分子筛臭氧氧化催化剂的催化臭氧氧化反应器2的反应腔二中，进行催化臭氧氧化反应，得混合气二。通过该步骤，可实现脱臭氧的同时，利用臭氧通过臭氧催化氧化作用进一步分解VOCs废气中的污染物，从而达到处理废气的同时，充分利用资源，符合环保要求。
S4、将步骤S3所得混合气二通入填充有TiO2/SiO2光催化剂的光催化反应器3的反应腔三中，微波无极紫外灯发出且在光氧化反应器1内未被利用的波长小于或等于254nm的紫外光，通过光氧化反应器1的透光侧壁照射到光催化反应器3的反应腔三中，混合气二在光催化剂和小于或等于254nm紫外光的作用下进行光催化反应，进一步净化残余污染物；同时，微波发射装置4所发射的微波也可以增强光催化剂的活性，提高污染物的去除效率；处理后的气体再从光催化反应器3的出气口排出。
在图1所示VOCs废气净化处理装置中，通过微波无极紫外灯和微波发射装置配合以为反应处理过程提供紫外光。在其他实施例中，也可取消微波发射装置的设置，而光氧化反应器内的紫外灯对应采用常规紫外灯，以提供所需波长的紫外光，包括波长≤185nm的真空紫外光和波长≤254nm的紫外光。使用该结构的净化处理作用进行VOCs废气净化处理与采用图1所示VOCs废气净化处理装置进行VOCs废气净化处理的方法类似，包括：将VOCs废气通入光氧化反应器中，在波长小于或等于185nm的真空紫外光照射下进行光解和光氧化，得到含臭氧的混合气一；将混合气一通入填充有臭氧氧化催化剂的催化臭氧氧化反应器中，进行催化臭氧氧化反应，得混合气二；再混合气二通入填充光催化剂的光催化反应器中，在波长小于或等于254nm的紫外光照射下进行光催化反应。
以上实施例中，通过高效利用高能紫外光光解和光氧化、催化臭氧氧化和光催化多重效应的协同作用，可提高VOCs废气的去除能力和处理效率，矿化率高，成本低。
而如若采用以上还包括加热催化反应器的VOCs废气净化处理装置进行废气净化处理，基于以上处理过程，VOCs废气在经以上步骤S1至步骤S4处理后所产生的气体进入加热催化反应器中，在微波发射装置4所发射微波的作用下，进行微波加热催化反应，处理后的气体再从加热催化反应器上的出气口排出。通过以上处理，可以进一步保证废气的处理效果，实现完全矿化。而为了节约能耗，可根据所需废气处理强度来控制加热催化反应器的开启，若高能紫外光光解和光氧化、催化臭氧氧化和光催化工艺已能实现完全矿化，则无需启动加热催化反应器，具体可通过断开加热催化反应器与光催化反应器出气口的连通，使处理所得气体通过光催化反应器出气口排出；而在前面处理不完全的情况下，再启动加热催化反应器。
为了进一步验证本发明VOCs废气净化处理装置及相应的净化处理方法的净化效果，进行了一系列应用效果实验，包括：采用图1所示VOCs废气净化处理装置，按光氧化-催化臭氧氧化-光催化工艺对废气进行净化处理作为实验组1和实验组2；在图1所示VOCs废气净化处理装置基础上取消光催化反应器中的光催化反应，按光氧化-催化臭氧氧化工艺进行废气净化处理，以其作为对比组1，包括对比组11和对比组12，对比组11和对比组12的微波功率不同；在图1所示VOCs废气净化处理装置基础上取消催化臭氧氧化反应器中的催化臭氧氧化反应，按光氧化-光催化工艺进行废气净化处理，以其作为对比组2，包括对比组21和对比组22，对比组21和对比组22的微波功率不同。
通过测试各组净化处理前后废气中甲苯的浓度、净化后气体中CO的浓度和CO2的浓度，并按照以下公式计算出甲苯的降解率和矿化率，以评价各工艺对甲苯的去除效果。
(1)甲苯的降解率：
Figure BDA0002346388540000083
式中，c(C7H8)in——净化处理前甲苯的浓度，ppm；
c(C7H8)out——净化处理后甲苯的浓度，ppm。
(2)甲苯的矿化率：
Figure BDA0002346388540000081
式中，c(CO)out——净化处理后气体中CO的浓度，ppm；
c(CO2)out——净化处理后气体中CO2的浓度，ppm；
c(C7H8)in——净化处理前甲苯的浓度，ppm。
采用以上方法进行废气净化处理效果测试，所得结果如下表1所示：
表1 废气净化处理效果测试结果
Figure BDA0002346388540000082
由上表1可知，相比于对比组1的光氧化-催化臭氧氧化工艺和对比组2的光氧化-光催化工艺，采用实验组处理工艺(光氧化-催化臭氧氧化-光催化工艺)进行VOCs废气处理，处理效率高，矿化率高。
此外，发明人还分别采用光氧化工艺、催化臭氧氧化工艺、光催化工艺、光氧化-催化臭氧氧化工艺、光氧化-光催化工艺、光氧化-催化臭氧氧化-光催化工艺进行废气净化处理，处理过程使用图1所示的VOCs废气净化处理装置，按照具体工艺启动相应的反应器；而后采用以上废气净化处理效果测试方法测试甲苯的降解率和矿化率；并在反应完成后将气体残余产物通入GC-MS(气相色谱-质谱联用仪)测定反应产物。其中，初始废气参数：甲苯浓度20ppm，气体流量200mL/min，氧气含量21％，相对湿度70％。降解率和矿化率测试所得结果如下表2所示，气体残余产物如下表3所示。
表2 不同处理工艺进行废气净化处理效果
Figure BDA0002346388540000091
表3 不同处理工艺进行废气净化后气体残余产物相对占比
Figure BDA0002346388540000092
Figure BDA0002346388540000101
通过检测以及由表3可知，在同一反应条件下，单一由微波引发无极紫外灯对含甲苯的VOCs废气进行光氧化处理，甲苯的矿化率只有31.4％，出口还有臭氧残余；与单一工艺相比，采用光氧化-催化臭氧氧化和光氧化-光催化的两工艺组合工艺存在协同作用；而采用光氧化-催化臭氧氧化-光催化三工艺组合，通过对副产物臭氧以及光解效果差的紫外光(一般为波长小于或等于254nm)再利用，可以将甲苯矿化率提高至92.8％，提高净化效率，且保证无臭氧泄露。对于三工艺组合后矿化率未达到预期三个单工艺加和，主要是由于臭氧在催化臭氧氧化工艺段被完全净化，使光催化氧化阶段没有了臭氧的协同贡献。但结合表1的结果可以知道，可适当微波调节功率，可保证出口甲苯完全矿化。
由表3和表4可知，组A中废气经光氧化工艺处理后生成副产物中有很多苯系物，其中苯甲醛和苯甲酸占比较大，分别为13.8％和40.6％，也有很多链状有机物，乙酸和甲酸占比较大，分别为19.9％和9.3％。组B中废气经催化臭氧氧化工艺处理后生成的有机副产物全部是苯系物，苯占比较大。组C中废气经光催化工艺处理后生成的有机副产物主要是苯系物，链状有机物只有甲酸，苯甲酸占比达到83.5％。组D中废气经光氧化-催化臭氧氧化工艺处理后生成的有机副产物有苯系物和长链有机物。其中苯甲醛、苯甲酸及苯占比较大，分别为24.2％、11.7％及22.7％。组E中废气经光氧化-光催化工艺处理后生成的有机副产物全部为苯系物，苯甲酸和苯占比较大，分别为64.0％和22.8％。组F中废气经光氧化-催化臭氧氧化-光催化工艺处理后生成的有机副产物基本为苯系物，还有少量甲酸，苯甲酸占比最大为72.6％。由上可知，对VOCs废气进行降解处理过程，需保证矿化率指标，否则可能会造成更严重的污染和危害。
另外，为考察装置的中毒及再生，我们在低矿化率情况下研究了该复合工艺的中毒与再生。采用图1所示装置，经过光氧化-催化臭氧氧化-光催化工艺，在微波功率147.75W、相对湿度70％、氧气含量21％、气体流量200mL/min、甲苯初始浓度20ppm、甲苯矿化率为70.3％的反应条件下进行长时间运行实验，测试甲苯的去除效果，所得结果如图3所示。
由图3可知，随着运行时间的延长，甲苯降解率略微降低，但仍保持在96％以上，而甲苯矿化率逐渐下降，在运行50h时，由最初的70.3％下降到45.6％。在运行50h后，停止通入甲苯，通入200mL/min的干空气，打开微波无极灯，进行催化剂原位再生，检测催化剂原位再生甲苯解吸量与COx(包括CO和CO2)生成量，所得结果如图4所示。
由图4可知，前60min，出气口有少量甲苯，60min后出气口甲苯浓度几乎为零，COx的产量在20min内迅速上升，然后逐渐减少。
为了考察系统再生之后降解甲苯的性能，进一步在相对湿度70％、氧气含量21％、微波功率147.75W、气体流量200mL/min、甲苯初始浓度20ppm的条件下，再次进行实验，所得实验结果如图5所示。
由图5可知，再生后系统对甲苯的降解率保持稳定，甲苯矿化率从70.3％下降到67.4％，证明系统再生效果良好。

Claims (10)

1.一种VOCs废气净化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将VOCs废气通入光氧化反应器中，在光一照射下进行光解和光氧化，得到含臭氧的混合气一；
S2、将步骤S1所得含臭氧的混合气一通入填充有臭氧氧化催化剂的催化臭氧氧化反应器中，进行催化臭氧氧化反应，得混合气二；
S3、将步骤S2所得的混合气二通入填充有光催化剂的光催化反应器中，在光二照射下进行光催化反应。
2.根据权利要求1所述的VOCs废气净化处理方法，其特征在于，所述光一为真空紫外光；所述光二为紫外光。
3.根据权利要求2所述的VOCs废气净化处理方法，其特征在于，所述光一和所述光二由同一光源发出；优选地，所述光源为紫外灯；进一步优选地，所述紫外灯为微波无极紫外灯。
4.根据权利要求1所述的VOCs废气净化处理方法，其特征在于，步骤S2中，所述臭氧氧化催化剂选自过渡金属氧化物、过渡金属氧化物与分子筛的复合催化剂中的至少一种；优选地，所述臭氧氧化催化剂选自MnO2、MnO2/分子筛复合催化剂中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的VOCs废气净化处理方法，其特征在于，步骤S3中，所述光催化剂选自BiVO4、TiO2、TiO2/SiO2复合催化剂中的至少一种。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的VOCs废气净化处理方法，所述VOCs废气净化处理方法还包括：
步骤S4、将步骤S3处理后的气体通入填充有热催化剂的加热催化反应器中，在微波作用下进行微波加热催化反应。
7.一种VOCs废气净化处理装置，其特征在于，包括依次连通的光氧化反应器、催化臭氧氧化反应器和光催化反应器；所述光氧化反应器具有反应腔一和连通所述反应腔一的进气口，所述反应腔一内设有紫外灯；所述催化臭氧氧化反应器具有反应腔二，所述反应腔二内填充有臭氧氧化催化剂；所述光催化反应器具有反应腔三和连通所述反应腔三的出气口，所述反应腔三内填充有光催化剂；所述光氧化反应器上具有用于分隔所述反应腔一和所述反应腔三的透光侧壁。
8.根据权利要求7所述的VOCs废气净化处理装置，其特征在于，所述紫外灯为微波无极紫外灯，所述VOCs废气净化处理装置还包括用于激发控制所述微波无极紫外灯运行的微波发射装置。
9.根据权利要求8所述的VOCs废气净化处理装置，其特征在于，所述VOCs废气净化处理装置还包括连通所述光催化反应器的出气口的加热催化反应器，所述加热催化反应器具有反应腔四和连通所述反应腔四的出气口，所述反应腔四内填充有热催化剂；所述微波发射装置还用于对所述光催化反应器进行微波加热。
10.根据权利要求7所述的VOCs废气净化处理装置，其特征在于，所述反应腔内设有用于安装支撑所述紫外灯的安装支架。
CN201911396167.3A 2019-12-30 2019-12-30 VOCs废气净化处理方法和装置 Pending CN110975560A (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911396167.3A CN110975560A (zh) 2019-12-30 2019-12-30 VOCs废气净化处理方法和装置
PCT/CN2020/141342 WO2021136364A1 (zh) 2019-12-30 2020-12-30 一种气体净化处理装置和方法
US17/809,902 US20220331739A1 (en) 2019-12-30 2022-06-30 Devices and methods for gas purification treatment

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911396167.3A CN110975560A (zh) 2019-12-30 2019-12-30 VOCs废气净化处理方法和装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110975560A true CN110975560A (zh) 2020-04-10

Family

ID=70079030

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911396167.3A Pending CN110975560A (zh) 2019-12-30 2019-12-30 VOCs废气净化处理方法和装置

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20220331739A1 (zh)
CN (1) CN110975560A (zh)
WO (1) WO2021136364A1 (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021136364A1 (zh) * 2019-12-30 2021-07-08 哈尔滨工业大学（深圳） 一种气体净化处理装置和方法
CN113176350A (zh) * 2021-03-29 2021-07-27 河北科技大学 微波-紫外线联用的VOCs废气催化燃烧评价装置
CN116265044A (zh) * 2021-12-16 2023-06-20 中国科学院大连化学物理研究所 一种处理对二甲苯液相氧化残渣的方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6136186A (en) * 1997-01-31 2000-10-24 Lynntech, Inc. Photocatalytic oxidation of organics using a porous titanium dioxide membrane and an efficient oxidant
JP3754601B2 (ja) * 2000-06-16 2006-03-15 株式会社東芝 冷蔵庫
CN204672112U (zh) * 2015-05-27 2015-09-30 中山大学 采用真空紫外光催化协同臭氧催化氧化的废气处理装置
CN104857824B (zh) * 2015-05-27 2018-02-02 中山大学 真空紫外光催化协同臭氧催化氧化的废气处理方法和装置
CN207478275U (zh) * 2017-10-12 2018-06-12 河北风华环保服务有限公司 紫外线光解处理voc废气的装置
CN208161368U (zh) * 2018-03-06 2018-11-30 重庆清禧环保科技有限公司 臭气处理系统
CN108636107B (zh) * 2018-05-21 2020-10-30 浙江工商大学 等离子体和紫外光协同催化剂降解废气的装置和方法
CN110975560A (zh) * 2019-12-30 2020-04-10 哈尔滨工业大学（深圳） VOCs废气净化处理方法和装置

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021136364A1 (zh) * 2019-12-30 2021-07-08 哈尔滨工业大学（深圳） 一种气体净化处理装置和方法
CN113176350A (zh) * 2021-03-29 2021-07-27 河北科技大学 微波-紫外线联用的VOCs废气催化燃烧评价装置
CN113176350B (zh) * 2021-03-29 2023-02-28 河北科技大学 微波-紫外线联用的VOCs废气催化燃烧评价装置
CN116265044A (zh) * 2021-12-16 2023-06-20 中国科学院大连化学物理研究所 一种处理对二甲苯液相氧化残渣的方法

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021136364A1 (zh) 2021-07-08
US20220331739A1 (en) 2022-10-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104857824A (zh) 真空紫外光催化协同臭氧催化氧化的废气处理方法和装置
CN110975560A (zh) VOCs废气净化处理方法和装置
CN105921011A (zh) 一种采用无极紫外光催化氧化协同臭氧催化氧化净化空气污染物的方法及装置
CN208482261U (zh) 一种微波无极紫外光催化净化及同步分解臭氧装置
US10662095B2 (en) Ozone-photocatalysis reactor and water treatment method
KR20020035432A (ko) 오염된 공기의 악취와 휘발성 유기물질 처리방법 및 장치
CN109268851B (zh) 一种微波驱动无极紫外联合催化燃烧处理VOCs气体的方法和设备
CN204672112U (zh) 采用真空紫外光催化协同臭氧催化氧化的废气处理装置
CN104258726B (zh) 一种光催化处理挥发性有机物的装置
Huang et al. Recent development of VUV-based processes for air pollutant degradation
CN206935119U (zh) 一种微波无极uv光催化组合的废气净化装置
CN108452646B (zh) 等离子体协同电热筒网催化处理VOCs的装置和方法
CN112159011A (zh) 一种紫外/臭氧耦合催化剂的高级氧化系统及污水处理工艺
CN203458963U (zh) 工业废气净化装置
CN111760452A (zh) 一种光催化臭氧协同催化降解挥发性有机气体性能测试的实验装置及其运行工艺
CN104437077A (zh) 一种研究光催化处理挥发性有机物的装置
CN111001295A (zh) 一种紫外光照协同单原子催化剂降解VOCs的装置及方法
CN111467954A (zh) 低温等离子体协同紫外光催化降解VOCs的装置及方法
CN212142125U (zh) 一种紫外光照协同单原子催化剂降解VOCs的装置
CN206082107U (zh) 一种工业有机废气净化装置
CN101664626A (zh) 一种用于工业有机废气处理的方法
CN110559827B (zh) 一种造纸废气的处理工艺
CN205867999U (zh) 微波无极紫外光协同臭氧催化氧化的废气处理装置
CN211886179U (zh) VOCs废气净化处理装置
CN209576305U (zh) 一种利用高能紫外光光催化协同臭氧催化处理废气的装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination