CN111068514B - 一种VOCs分离催化降解装置及催化降解系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种VOCs分离催化降解装置及催化降解系统，包括箱体、若干VOCs分离降解薄膜、若干紫外光源及微波源；箱体采用中空箱体结构，箱体的一端设置有进气口，用于与气源连接；箱体的另一端设置有出气口，用于与排气装置连接；若干分离降解薄膜和若干紫外光源平行间隔设置在箱体内，分离降解薄膜或紫外光源的轴线与箱体的进气口与出气口的连线平行；箱体的两侧分别设置有微波源，微波源与箱体的内部连通；本发明通过采用VOCs分离催化降解薄膜，实现了在高效截留有机污染物的同时对其进行原位分解；以微波源作为热源，通过微波辐射加热膜组件；通过热催化及紫外光催化的耦合作用，对VOCs分离催化降解薄膜截留的VOCs进行降解矿化，实现了对VOCs的彻底降解。

Description

一种VOCs分离催化降解装置及催化降解系统
技术领域
本发明属于VOCs分离降解技术领域，特别涉及一种VOCs分离催化降解装置及催化降解系统。
背景技术
VOCs即挥发性有机化合物，作为大气污染物中的一类，VOCs的排放不仅给自然环境造成了重害，还给人文环境带来了巨大的负担。目前，VOCs治理方法有多种方法，一般主要包括吸附法、吸收法、生物处理法、等离子技术、催化燃烧法、光催化氧化法等，其中热催化和光催化氧化法，因有强的氧化能力而能够有效地降解VOCs，其中光催化技术是一项低成本的绿色共性技术且效率较高，在环境治理、太阳能转化和自洁净等方向极具应用前景；目前限制该技术推广的主要瓶颈在于光催化剂的光生载流子分离效率和表面反应活性不高，且单一的技术方法并不能彻底的降解VOCs。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种VOCs分离催化降解装置及催化降解系统，以解决现有技术中VOCs降解不彻底的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供了一种VOCs分离催化降解装置，所述VOCs分离催化降解装置包括箱体、若干VOCs分离降解薄膜、若干紫外光源及微波源；箱体采用中空箱体结构，箱体的一端设置有进气口，用于与气源连接；箱体的另一端设置有出气口，用于与排气装置连接；若干VOCs分离降解薄膜和若干紫外光源平行相间设置在箱体内，VOCs分离降解薄膜或紫外光源的轴线与箱体的进气口与出气口的连线平行；箱体的两侧分别设置有微波源，微波源与箱体的内部连通。
进一步的，紫外光源采用无极紫外灯。
进一步的，VOCs分离降解薄膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在水中加入硝酸铜、硝酸锰及硝酸铈，搅拌，得到热催化体系；将钛酸四丁酯与异丙醇混合，得到光催化剂体系；
步骤2、将光催化体系逐滴加入热催化体系中，搅拌，至形成溶胶，得到活性组分负载液；
步骤3、在活性组分负载液中加入助剂，并加入贵金属，强烈搅拌，养护，得到负载前驱体；
步骤4、对陶瓷微滤膜进行预处理，使陶瓷微滤膜的孔隙尺寸与VOCs分子尺寸相匹配；
步骤5、将预处理后的陶瓷微滤膜在负载前驱体中进行浸渍，提拉，使热-光催化剂自然负载在陶瓷微滤膜上；
步骤6、重复步骤5，至陶瓷微滤膜上热-光催化剂的负载层数满足对VOCs中不同分子的截留率为90％以上，得到热-光协同催化陶瓷膜；
步骤7、对热-光协同催化陶瓷膜进行煅烧，还原后，得到所述的VOCs分离催化降解薄膜。
进一步的，步骤1中，热催化体系中Cu2+:Mn2+:Ce2+:H2O的质量比为：(3-4):(3-4):(1-2):(6-9)；光催化体系中，钛酸四丁酯与异丙醇按体积比为(1-1.5)：(2-3)的比例混合。
进一步的，步骤3中，步骤3中，助剂采用硅溶胶、磷酸、尿素、拟薄水铝石、柠檬酸和硅烷偶联剂中的一种或几种；助剂与活性组分负载液按质量比为(1-3)：5的比例混合；贵金属的摩尔浓度为0.5％～5％；贵金属采用铂、钯和铑中的一种或几种；养护过程采用在室温条件下，养护时间为5-6h；强烈搅拌过程中，搅拌速度为400-600r/min，搅拌时间为5-10h。
进一步的，步骤4中，对陶瓷微滤膜进行预处理时，具体如下：
步骤41、对陶瓷微滤膜进行超声清洗；
步骤42、对清洗后的陶瓷微滤膜进行烘烤；
步骤43、将步骤42中的陶瓷微滤膜放入稀硝酸中；其中，稀硝酸的质量分数为5％-7％；水浴加热后，取出，清洗烘烤后备用。
进一步的，步骤6中，陶瓷微滤膜上热-光催化剂的负载层数为1-3层；每次浸渍时间为30-40min，提拉速度为1-3cm/min，待陶瓷微滤膜上无溶胶滴落，在50-80℃条件下烘干处理；步骤7中，煅烧过程采用在300-500℃条件下，空气氛围煅烧5-6h；还原过程采用氢气还原6-9h。
本发明还提供了一种VOCs分离催化降解系统，包括VOCs分离催化降解装置、进气风机、换热器及排气风机；
进气风机的进口端与气源连接，进气风机的出口端与换热器的管侧进口连接，换热器的管侧出口与VOCs分离催化降解装置的进气口连接，VOCs分离催化降解装置的出气口与排气风机的一端连接；排气风机的另一端与换热器的壳侧进口连接，换热器的壳侧出口与外界连通。
进一步的，还包括VOCs紧急处理系统，VOCs紧急处理系统的进口端与VOCs分离催化降解装置连接，VOCs紧急处理系统的出口端与进气风机连接。
进一步的，还包括自动控制及监测系统，用于实现VOCs分离催化降解系统的自动起闭及监控。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种VOCs分离催化降解装置，通过采用VOCs分离催化降解薄膜，实现了在高效截留有机污染物的同时对其进行原位分解，VOCs中的大分子在VOCs的分离催化降解薄膜膜面初步降解后被动迁移进入膜材料内部，其在迁移过程中将不断与内部催化活性位点进行接触；以微波源作为热源，通过微波辐射加热膜组件；同时，微波源用于点亮无极紫外灯，作为紫外光催化能量来源，通过热催化及紫外光催化的耦合作用，对VOCs分离催化降解薄膜截留的VOCs进行降解矿化，有效提高了VCOs的分离氧化降解效率。
进一步的，通过采用陶瓷微滤膜作为基膜，在陶瓷微滤膜上负载热催化剂和光催化剂，缩小了薄膜的孔径，满足VOCs气体分离截留；同时，在加热及紫外光照下同时对膜面及膜内部的VOCs分子起到催化降解作用；陶瓷微滤膜通过热-光催化剂的负载实现孔隙尺寸与VOCs分子尺寸进行匹配化，可以在高效截留有机污染物的同时对其进行原位分解，有效提高了VOCs分子的分离降解效率，实现了对VOCs的彻底降解。
本发明还提供了一种VOCs分离催化降解系统，通过设置换热器，利用系统排放的尾气对进气进行加热，配合相应的保温措施，实现节能降耗；设置自动控制系统，控制进、排气速度、系统内部压力及温度，超过设计标准后进行相应的报警、关闭催化系统，并将气体管路切入紧急处理系统，以保证系统安全运行；设置监测系统，监测进、排气VOCs浓度，排气VOCs浓度超标后自动报警并将气体管路切入紧急处理系统；所述的自动控制和气体监测系统由计算机程序或配电箱进行自动或手动控制。
本发明所述的一种VOCs分离催化降解系统，结构相对简单且一体化、易于操作控制、实用性强、处理效率高；该发明以微波源作为VOCs分离催化降解薄膜的热量来源及无极紫外灯的能量来源，通过热催化和紫外光催化的耦合作用，将膜截留的VOCs进行降解矿化以达标排放，通过设置自动控制及监测系统保证了系统安全运行，避免了产生二次污染。
附图说明
图1为本发明所述的一种VOCs分离催化降解装置结构示意图；
图2为本发明所述的一种VOCs分离催化降解系统结构框图；
图3为本发明中的VOCs分离降解薄膜制备方法及工作原理框图。
其中，1VOCs分离催化降解装置；2进气风机，3排气风机，4换热器，5VOCs紧急处理系统，6自动控制及监测系统；11箱体，12VOCs分离降解薄膜，13紫外光源，14微波源。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如附图1、3所示，本发明提供了一种VOCs分离催化降解装置，所述VOCS分离催化降解装置1包括箱体11、若干VOCs分离降解薄膜12、若干紫外光源13及微波源14；箱体11采用中空箱体结构，箱体11的底部设置有进气口，用于与气源连接；箱体11的上部设置有出气口，用于与排气装置连接；若干VOCs分离降解薄膜12和若干紫外光源13竖向相间设置在箱体11内，VOCs分离降解薄膜12与紫外光源相间阵列，保证了光照及气流的均匀性及VOCs与催化剂接触的充分性；分离降解薄膜12或紫外光源13的轴线与箱体11的进气口与出气口的连线平行，紫外光源13采用无极紫外灯；箱体11的两侧分别设置有微波源14，微波源14与箱体11的内部连通，且居中设置在箱体11的两侧；微波源14作为反应过程的热量来源，通过微波辐射加热膜组件，同时，微波源14能够点亮无极紫外灯，作为紫外光源的催化能量来源，通过热催化及紫外光催化的耦合作用，将膜截留的VOCs进行降解矿化。
本发明中所述的VOCs分离降解薄膜12的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在水中加入硝酸铜、硝酸锰及硝酸铈，搅拌，得到热催化体系，其中，热催化体系中，Cu2+:Mn2+:Ce2+:H2O的质量比为：(3-4):(3-4):(1-2):(6-9)；
将钛酸四丁酯与异丙醇按体积比为(1-1.5)：(2-3)的比例混合，得到光催化剂体系；
步骤2、将光催化体系逐滴加入热催化体系中，搅拌，至形成溶胶，得到活性组分负载液；
步骤3、在活性组分负载液中加入助剂，并加入贵金属，强烈搅拌5-10h，搅拌速度为400-600r/min；在室温条件下，养护5-6h，得到负载前驱体；所述助剂采用硅溶胶、磷酸、尿素、拟薄水铝石、柠檬酸和硅烷偶联剂中的一种或几种；助剂与活性组分负载液按质量比为(1-3)：5的比例混合；贵金属的摩尔浓度为0.5％～5％；贵金属采用铂、钯和铑中的一种或几种；
步骤4、对陶瓷微滤膜进行预处理，使陶瓷微滤膜的孔隙尺寸与VOCs分子尺寸相匹配；具体的，包括以下步骤：
步骤41、对陶瓷微滤膜进行超声清洗10-15min；
步骤42、将清洗后的陶瓷微滤膜放入110-120℃的烘箱中，进行烘烤，烘烤时间为1-2h；
步骤43、将步骤42中的烘烤后的陶瓷微滤膜放入稀硝酸中，水浴加热2-3h后取出，清洗烘烤后备用。
步骤5、将预处理后的陶瓷微滤膜在负载前驱体中进行浸渍，提拉，每次浸渍时间为30-40min，提拉速度为1-3cm/min，使热-光催化剂自然负载在陶瓷微滤膜上；陶瓷微滤膜上热-光催化剂的负载层数为1-3层；待陶瓷微滤膜上无溶胶滴落，在50-80℃条件下烘干处理；
步骤6、重复步骤5，至陶瓷微滤膜上热-光催化剂的负载层数满足对VOCs中不同分子的截留率为90％以上，得到热-光协同催化陶瓷膜；
步骤7、将热-光协同催化陶瓷膜放入马弗炉中，在300-500℃条件下，在空气氛围中煅烧5-6h；然后采用氢气进行还原，还原时间为6-9h，得到所述的VOCs分离降解薄膜。
本发明中所述VOCs分离降解薄膜，通过采用陶瓷微滤膜作为基膜，将陶瓷微滤膜在热-光催化体系中，进行热-光催化剂自然浸渍负载数次，煅烧还原后，得到所述的VOCs分离降解薄膜。本发明所述的VOCs分离降解薄膜，以VOCs中不同分子的截留率为90％为限定获取最佳负载层数，结合对不同VOCs分子的催化降解效率，对负载层数进行精细调控，获取具有普适的膜孔隙尺寸，实现膜孔隙尺寸与VOCs分子尺寸的匹配化。
如附图2所示，本发明提供了一种VOCs分离催化降解系统，包括VOCs分离催化降解装置1、进气风机2、换热器3、排气风机4、VOCs紧急处理系统5及自动控制及监测系统6；进气风机2的进口端与VOCs气源连接，进气口2的出口端与换热器3的管侧进口连接，换热器3的管侧出口与VOCs分离催化降解装置1的进气口连接，通过设置换热器，利用系统排放的尾气对系统进气进行加热，配合相应的保温措施，实现节能降耗；VOCs分离催化降解装置1的出气口与排气风机4的进气口连接，排气风机4的出气口与换热器3的壳侧进口连接，换热器3的壳侧出口与外界连通；
VOCs紧急处理系统5的一端与VOCs分离催化降解装置1的应急出口端连接，VOCs紧急处理系统5的另一端与进气风机2的进风口连接；VOCs紧急处理系统5为应对催化降解系统故障或者进气组成剧烈变化；当自动控制及监测系统6测到系统排放口处的气体VOCs浓度不达标时，自动启用VOCs紧急处理系统5。VOCs紧急处理系统5包含活性炭吸附滤芯，VOCs紧急处理系统5的进口端与VOCs分离催化降解装置1的出口端连接，VOCs紧急处理系统5的出口端与VOCs分离催化降解装置1的入口端连通，进行内部循环降解，实现对气体中VOCs分子反复分离催化降解。
自动控制及监测系统6用于实现VOCs分离催化降解系统的自动起闭及监控，包括自动控制系统及VOCs监测系统；自动控制系统包括控制整个分离催化降解系统的各种传感器，电脑以及控制版面，可以实现系统的自动控制；在无人操作的环境下，将调试好的数据直接加以实施；VOCs监测系统利用催化燃烧产生热效应原理，通过载体温度推算出VOCs浓度，将VOCs传感器与控制版面连接，最终得到可调控的监测系统。自动控制及监测系统用于控制进、排气速度、系统内部压力及温度，超过设计标准后进行相应的报警、关闭催化系统，并将气体管路切入紧急处理系统，以保证系统安全运行。自动控制系统包括压力传感器、温度传感器、电磁阀、工控程序、电脑及触摸面板；VOCs监测系统用于监测进、排气VOCs浓度，排气VOCs浓度超标后自动报警并将气体管路切入紧急处理系统，包括VOCs传感器，其接入自动控制系统界面。
工作原理及使用方法
本发明所述的一种VOCs分离催化降解装置，包括以下步骤：
步骤1、启动装置，开启微波源14；
步骤2、将VOCs气体通入进气风机2，气体经换热器3实现加热并进入VOCs分离催化降解装置1中；
步骤3、VOCs气体经过VOCs分离催化降解薄膜12时，在VOCs分离催化降解薄膜12上的热催化和紫外光催化的共同作用，将膜截留的VOCs进行降解矿化；
步骤4、经处理后的气体由排气风机4实现达标排放，排放的尾气进入换热器3辅助完成加热进气；
本发明中分离催化降解反应过程中各项数据指标由自动控制及监测系统等完成实时监测，保证反应的安全进行和紧急处理；反应过程中由于设备故障、催化剂失活、进气组成剧烈变化等原因造成VOCs排放超标时，系统自动将气路切换至VOCs紧急处理系统5，在保证达标排放的同时，保障足够的设备维修维护时间。
本发明所述的一种VOCs分离催化降解装置，结构简单且一体化、易于操作控制、实用性强、处理效率高。本发明中通过以微波源作为VOCs分离催化降解薄膜的热量来源及无极紫外灯的能量来源，通过热催化和紫外光催化的耦合作用，将VOCs分离催化降解薄膜截留的VOCs进行降解矿化形成CO2及水，以实现达标排放；本发明所述的VOCs分离催化降解系统中设有自动控制及监测系统等以保证系统安全运行，避免了产生二次污染。
开创性地，以上各个效果独立存在，还能用一套结构完成上述结果的结合。需要说明的是，本专利提供的方案包含本身的基本方案，相互独立，并不相互制约，但是其也可以在不冲突的情况下相互组合，达到多个效果共同实现。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的范围内。

Claims (8)

1.一种VOCs分离催化降解装置，其特征在于，所述VOCs分离催化降解装置(1)包括箱体(11)、若干VOCs分离降解薄膜(12)、若干紫外光源(13)及微波源(14)；箱体(11)采用中空箱体结构，箱体(11)的一端设置有进气口，用于与气源连接；箱体(11)的另一端设置有出气口，用于与排气装置连接；若干VOCs分离降解薄膜(12)和若干紫外光源(13)平行相间设置在箱体(11)内，VOCs分离降解薄膜(12)或紫外光源(13)的轴线与箱体(11)的进气口与出气口的连线平行；箱体(11)的两侧分别设置有微波源(14)，微波源(14)与箱体(11)的内部连通；
VOCs分离降解薄膜(12)的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在水中加入硝酸铜、硝酸锰及硝酸铈，搅拌，得到热催化体系；将钛酸四丁酯与异丙醇混合，得到光催化剂体系；
步骤2、将光催化体系逐滴加入热催化体系中，搅拌，至形成溶胶，得到活性组分负载液；
步骤3、在活性组分负载液中加入助剂，并加入贵金属，强烈搅拌，养护，得到负载前驱体；其中，贵金属的摩尔浓度为0.5％～5％；
步骤4、对陶瓷微滤膜进行预处理，使陶瓷微滤膜的孔隙尺寸与VOCs分子尺寸相匹配；
步骤5、将预处理后的陶瓷微滤膜在负载前驱体中进行浸渍，提拉，使热-光催化剂自然负载在陶瓷微滤膜上；
步骤6、重复步骤5，至陶瓷微滤膜上热-光催化剂的负载层数满足对VOCs中不同分子的截留率为90％以上，得到热-光协同催化陶瓷膜；
步骤7、对热-光协同催化陶瓷膜进行煅烧，还原后，得到VOCs分离催化降解薄膜；
步骤1中，热催化体系中Cu2+:Mn2+:Ce2+:H2O的质量比为：(3-4):(3-4):(1-2):(6-9)；光催化体系中，钛酸四丁酯与异丙醇按体积比为(1-1.5)：(2-3)的比例混合；
步骤6中，陶瓷微滤膜上热-光催化剂的负载层数为1-3层；每次浸渍时间为30-40min，提拉速度为1-3cm/min，待陶瓷微滤膜上无溶胶滴落，在50-80℃条件下烘干处理。
2.根据权利要求1所述的一种VOCs分离催化降解装置，其特征在于，紫外光源(13)采用无极紫外灯。
3.根据权利要求1所述的一种VOCs分离催化降解装置，其特征在于，步骤3中，助剂采用硅溶胶、磷酸、尿素、拟薄水铝石、柠檬酸和硅烷偶联剂中的一种或几种；助剂与活性组分负载液按质量比为(1-3)：5的比例混合；贵金属采用铂、钯和铑中的一种或几种；养护过程采用在室温条件下，养护时间为5-6h；强烈搅拌过程中，搅拌速度为400-600r/min，搅拌时间为5-10h。
4.根据权利要求1所述的一种VOCs分离催化降解装置，其特征在于，步骤4中，对陶瓷微滤膜进行预处理时，具体如下：
步骤41、对陶瓷微滤膜进行超声清洗；
步骤42、对清洗后的陶瓷微滤膜进行烘烤；
步骤43、将步骤42中的陶瓷微滤膜放入稀硝酸中；其中，稀硝酸的质量分数为5％-7％；水浴加热后，取出，清洗烘烤后备用。
5.根据权利要求1所述的一种VOCs分离催化降解装置，其特征在于，步骤7中，煅烧过程采用在300-500℃条件下，空气氛围煅烧5-6h；还原过程采用氢气还原6-9h。
6.一种VOCs分离催化降解系统，其特征在于，包括VOCs分离催化降解装置(1)、进气风机(2)、换热器(3)及排气风机(4)；所述VOCs分离催化降解装置采用权利要求1-2任意一项所述的VOCs分离催化降解装置(1)；
进气风机(2)的进口端与气源连接，进气风机(2)的出口端与换热器(3)的管侧进口连接，换热器(3)的管侧出口与VOCs分离催化降解装置(1)的进气口连接，VOCs分离催化降解装置(1)的出气口与排气风机(4)的一端连接；排气风机(4)的另一端与换热器(3)的壳侧进口连接，换热器(3)的壳侧出口与外界连通。
7.根据权利要求6所述的一种VOCs分离催化降解系统，其特征在于，还包括VOCs紧急处理系统(5)，VOCs紧急处理系统(5)的进口端与VOCs分离催化降解装置(1)连接，VOCs紧急处理系统(5)的出口端与进气风机(2)连接。
8.根据权利要求6所述的一种VOCs分离催化降解系统，其特征在于，还包括自动控制及监测系统(6)，用于实现VOCs分离催化降解系统的自动起闭及监控。
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