CN111467954A - 低温等离子体协同紫外光催化降解VOCs的装置及方法 - Google Patents

低温等离子体协同紫外光催化降解VOCs的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种低温等离子体协同紫外光催化降解VOCs的装置及方法，属于有机废气处理技术领域，该装置包括依次相连的预处理净化器、气体流量控制机构以及等离子体净化器，等离子体净化器包括等离子反应管及紫外灯，等离子反应管包括依次相连的第一段管、第二段管、第三段管以及第四段管。该方法包括：步骤S1，VOCs废气进入预处理净化室，经过滤网除去废气中的颗粒物质；步骤S2，检测预处理后VOCs废气的流量值，并判断流量值是否高于预设流量阈值；步骤S3，根据VOCs废气的流量值设置输出电压，开启高压电源、紫外灯，致使等离子体管内产生等离子体。本发明提供的装置及方法具有自动化程度高、催化降解VOCs效率高的特点。

Description

低温等离子体协同紫外光催化降解VOCs的装置及方法
技术领域
本发明涉及废气处理技术领域，特别涉及一种低温等离子体协同紫外光催化降解VOCs的装置及方法。
背景技术
目前，工业和农业排放的挥发性有机物(VOCs)是重要的大气污染源之一，其危害主要分为两类，一类是直接危害，刺激人类及动物的呼吸系统从而导致病变；另一类是次生危害，VOCs在空气中极易引发一系列光化学反应，造成雾霾以及光化学烟雾等灾害，使人类的健康受到极大威胁。
在现有的VOCs处理净化的方法中，较为传统的控制方法例如焚烧法，耗能严重且易产生严重的二次污染；催化燃烧法虽对有机污染有效，但对大流量、高流速废气的处理仍存在气阻大、效率低的问题；吸附-解吸法也存在吸附容量、气阻、普适性的问题。近年来，又衍生了膜分离法、生物降解法、冷凝法等手段，有效地提高了可循环性，但仍未实质上地提升VOCs处理效率。
低温等离子体技术是通过气体放电所产生的高活性粒子与污染物分子发生碰撞，使其解离和氧化，从而达到废气净化的目的。近年来低温等离子体技术被较为广泛地应用于低浓度含VOCs废气和恶臭异味气体的处理，总体应用效果良好，但是其发展仍旧具有局限性。该处理技术依然存在容易形成副产物、能量效率低和选择性较差的特点。而催化剂高选择性、高降解效率等特点使研究者将其与催化剂相结合，等离子处理技术与催化剂协同处理有害气体，成功地将催化剂的优点作用应用在等离子体处理VOCs方面。例如，将低温等离子体技术与吸附工艺相结合，利用微孔γ-Al2O3颗粒的吸附作用可大大改善低温等离子体对甲苯和丙烷的处理效果；将具有较高催化活性的Mn、Fe等金属氧化物与等离子体技术结合，可以使苯、甲苯、乙醇、二氯乙烷的去除率提高约20％；将低温等离子体与光催化技术相结合，一方面光催化可以大大提升低温等离子体的VOCs降解效率，另一方面等离子体可以有效抑制催化剂失活，特别适用于处理复合材料生产制造行业的高流量、低浓度VOCs(一般低于300mg/m3)废气。
发明内容
本发明的目的在于提供一种净化效率高的低温等离子体协同紫外光催化降解VOCs的装置及方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种低温等离子体协同紫外光催化降解VOCs的装置，其包括预处理净化器、设置于所述预处理净化器端部的气体流量控制机构以及设置于气体流量控制机构端部的等离子体净化器，所述等离子体净化器包括等离子反应管、设置于所述等离子反应管内部的内电极、绕于所述等离子反应管外表面的线圈式电极、紫外灯以及收容于所述等离子反应管内部的催化剂载体，所述等离子反应管包括依次相连的第一段管、第二段管、第三段管以及第四段管。
所述第一段管、所述第二段管、所述第三段管填充不同类催化剂，所述第三段管与所述第四段管内填充催化剂类型相同。
所述气体流量控制机构包括气体流量控制器以及设置于所述气体流量控制器后方的气体流量检测器，所述气体流量检测器与所述气体流量控制器通过一传感器传递信号，所述气体流量控制器根据电信号进行相应的工作调整。
所述气体流量控制器包括控制器本体、设置于所述控制器本体前端的控制器进气口、设置于所述控制器进气口内部的阀门组件以及驱动所述阀门组件运动的气缸。
所述阀门组件包括设置于所述控制器进气口内部的阀板以及连接于所述阀板中心的转轴，所述气缸具有一活塞杆，所述阀板上固定一L型连杆，所述连杆端部设有一连杆轴，所述连杆轴与所述活塞杆轴接。
所述预处理净化器包括预处理净化室，所述预处理净化室内安装有过滤网。
本发明提供另一技术方案：一种低温等离子体协同紫外光催化降解VOCs的方法，其包括：
步骤S1，提供预处理净化室及设置于所述预处理净化室内的过滤网，所述VOCs废气进入预处理净化室，经所述过滤网除去废气中的颗粒物质；
步骤S2，提供气体流量控制器、气体流量检测器、高压电源及紫外灯，所述气体流量检测器检测预处理后VOCs废气的流量值，并判断流量值是否高于预设流量阈值；
如果检测流量值高于预设流量阈值，则反馈信息至所述气体流量控制器，所述气体流量控制器将气体流量调小；
如果检测流量值等于或低于预设流量阈值，则进入步骤S3；
步骤S3，根据VOCs废气的流量值设置输出电压，开启高压电源、紫外灯，致使等离子体管内产生等离子体，等离子体管内的催化剂协同等离子体对进入的VOCs废气进行降解。
步骤S2中，所述气体流量控制器具有一控制器进气口、阀板及气缸，当所述阀板旋转至与所述控制器进气口中心轴平行，气体的流量达到最大，所述阀板旋转至与所述控制器进气口中心轴垂直，所述控制器进气口关闭，通过所述气缸控制所述阀板相对所述控制器进气口中心轴的夹角，实现气体流量大小控制。
步骤S3中，输出电压设置为16-18KV，紫外灯强度3000μW/cm2，波长253.5nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：气体流量控制器和气体流量检测器协同对气体流量控制，防止等离子体反应管处理内处理达到饱和状态，避免未处理的气体排出大气中；等离子反应管整体设计成“M”状结构，增大了反应区体积，提高了VOCs废气的催化分解速率，同时，填充不同类催化剂，实现多级降解，避免O3排放到大气中，对大气层造成破坏
附图说明
图1为本发明低温等离子体协同紫外光催化降解VOCs的装置结构示意图；
图2为图1中的第一均风网板、过滤网的结构示意图；
图3为图1中的阀门组件、气缸结构示意图；
图4为图1中的等离子反应管结构示意图；
图5为本发明低温等离子体协同紫外光催化降解VOCs的方法框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明为一种低温等离子体协同紫外光催化降解VOCs的装置，用于处理工业生产过程中所产生并释放的VOCs废气。
请参阅图1至图4，本发明低温等离子体协同紫外光催化降解VOCs的装置，其包括预处理净化器10、设置于预处理净化器10端部的气体流量控制机构20以及设置于气体流量控制机构20端部的等离子体净化器30。
参见图1，预处理净化器10包括预处理净化室11、设置于预处理净化室11内的过滤网12、平行设置于过滤网12前方的第一均风网板13以及设置于第一均风板13前方的第一风机14。参见图2，过滤网12包括第一过滤网121以及与第一过滤网121平行的第二过滤网122，第一过滤网121的网孔大于第二过滤网122的网孔，第一过滤网121用于除去VOCs废气中的大型颗粒物质，第二过滤网122用于进一步除去小型颗粒物质。过滤网12下方可拆卸设置有废料接盘15，经过滤网12除去的颗粒物质落入废料接盘15，便于定期清理。第一均风网板13用于调整VOCs废气的流场均匀稳定，第一风机14用于引入VOCs废气至第一均风网板13。预处理净化室11两端设有预处理进气口111及预处理出气口112。预处理出气口112与气体流量控制机构20相连通。
参见图1及图3，气体流量控制机构20包括气体流量控制器21以及设置于流量控制器21后方的气体流量检测器22，其中，气体流量检测器22具有一数字读取窗口221。气体流量控制器21包括控制器本体211、设置于控制器本体211前端的控制器进气口212、设置于控制器进气口212内部的阀门组件213以及驱动阀门组件213运动的气缸214。气体流量检测器22与气缸214通过一传感器(未图示)传递信号，气缸214根据电信号进行相应的工作调整。阀门组件213包括设置于控制器进气口212内部的阀板2131以及连接于阀板2131中心的转轴2132。气缸214具有一活塞杆2141，阀板2131上固定一L型连杆2133，连杆2133端部设有一连杆轴2134，连杆轴2134与活塞杆2141轴接。气体流量控制器21还包括底块23，气缸214的后端与底块23轴接，气缸214的推力驱使阀板2131绕转轴2132旋转运动。当阀板2131旋转至与控制器进气口212中心轴平行，气体的流量达到最大，阀板2131旋转至与控制器进气口212中心轴垂直，控制器进气口212关闭，通过控制阀板2131相对控制器进气口212中心轴的夹角，实现气体流量大小控制。
参见图1，等离子体净化器30包括绝缘壳体31以及收容于绝缘壳体31内的等离子体净化组件32。参见图4，等离子体净化组件32包括若干平行排列的等离子反应管321、设置于等离子反应管321内部的内电极322、绕于等离子反应管321外表面的线圈式电极323、与内电极322相连的高压电源(未图示)以及收容于等离子反应管321内部的催化剂载体325。绝缘壳体31两端设有净化进气口311及净化出气口312。为了激发光催化剂，等离子体净化器30内设置有紫外灯33。
参见图4，本实施例中，等离子反应管321整体呈“M”状结构，分别包括依次相连的第一段管3211、第二段管3212、第三段管3213以及第四段管3214。第一段管2211内填充光催化剂，如TiO2、TiO2/MnO2、γ-Al2O3负载TiO2/MnO2型光催化剂，其中γ-Al2O3负载TiO2/MnO2型光催化剂极大提升了VOCs废气的处理速率，且最终净化效果也有大幅度提升。第二段管3212内填充金属氧化物催化剂，如CuO、MnO2、FeO等，这类催化剂中晶格氧易被低温等离子体激活，促进氧在催化剂表面的氧化反应，从而促进降解。第三段管3213、第四段管3214均填充金属催化剂，如Cu、Co、Fe等，该类催化剂将低温等离子体产生的O3分解产生活性氧原子、羟基等活性催化物，促进VOCs废气降解。等离子反应管321整体设计成“M”状结构，增大了反应区体积，提高了VOCs废气的催化分解速率，同时，填充不同类催化剂，实现多级降解，避免O3排放到大气中，对大气层造成破坏。为了便于气体进入和排出等离子反应管321，等离子反应管321两端连接有前进气部3215和后出气部3216，前进气部3215、后出气部3216均为箱体结构，整个箱体结构表面均开设有通气孔3217，增加进出气量。等离子体净化器30后端连接第二风机40，第二风机40连接烟囱50。
参见图5，本发明还提供了低温等离子体协同紫外光催化降解VOCs的方法，其包括：
步骤S1，VOCs废气进入预处理净化室，经第一过滤网、第二过滤网除去废气中的颗粒物质；本步骤中，VOCs废气由预处理进气口进入预处理净化室，第一风机将VOCs废气吹向第一均风网板，第一均风网板调整VOCs废气的流场均匀稳定，并依次通过第一过滤网、第二过滤网。
步骤S2，检测预处理后VOCs废气的流量值，并判断流量值是否高于预设流量阈值。
如果检测流量值高于预设流量阈值，则反馈信息至气体流量控制器，气体流量控制器将气体流量调小。
如果检测流量值等于或低于预设流量阈值，则进入步骤S3。
本步骤中，气体流量检测器采用转子流量计，气体流量控制器包括气缸和阀板，气体流量控制器具有一控制器进气口，当于阀板旋转至与控制器进气口中心轴平行，气体的流量达到最大，阀板旋转至与控制器进气口中心轴垂直，控制器进气口关闭，通过气缸控制阀板相对控制器进气口中心轴的夹角，实现气体流量大小控制。
步骤S3，根据VOCs废气的流量值设置输出电压，开启高压电源、紫外灯，致使等离子体管内产生等离子体，等离子体反应管内的催化剂协同等离子体对进入的废气进行降解；其中，输出电压设置为16-18KV，紫外灯强度3000μW/cm2，波长253.5nm。
本步骤中，等离子体净化器对预处理后的废气进行降解的原理，即内电极上施加高电压产生高能电子、离子、自由基等活性粒子使VOCs废气分子在极短的时间内激发、电离和离解，最终转化为无害的CO2和H2O。等离子反应管整体呈“M”状结构，等离子反应管整体设计成“M”状结构，增大了反应区体积，提高了VOCs废气的催化分解速率，同时，填充不同类催化剂，实现多级降解，避免O3排放到大气中，对大气层造成破坏。
步骤S5，净化气体经第二风机吹入烟囱内，最终排放到大气中。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种低温等离子体协同紫外光催化降解VOCs的装置，其特征在于，其包括预处理净化器、设置于所述预处理净化器端部的气体流量控制机构以及设置于气体流量控制机构端部的等离子体净化器，所述等离子体净化器包括等离子反应管、设置于所述等离子反应管内部的内电极、绕于所述等离子反应管外表面的线圈式电极、高压电源、紫外灯以及收容于所述等离子反应管内部的催化剂载体，所述等离子反应管包括依次相连的第一段管、第二段管、第三段管以及第四段管。
2.根据权利要求1所述的低温等离子体协同紫外光催化降解VOCs的装置，其特征在于，所述第一段管、所述第二段管、所述第三段管填充不同类催化剂，所述第三段管与所述第四段管内填充催化剂类型相同。
3.根据权利要求1所述的低温等离子体协同紫外光催化降解VOCs的装置，其特征在于，所述气体流量控制机构包括气体流量控制器以及设置于所述气体流量控制器后方的气体流量检测器，所述气体流量检测器与所述气体流量控制器通过一传感器传递信号，所述气体流量控制器根据电信号进行相应的工作调整。
4.根据权利要求3所述的低温等离子体协同紫外光催化降解VOCs的装置，其特征在于，所述气体流量控制器包括控制器本体、设置于所述控制器本体前端的控制器进气口、设置于所述控制器进气口内部的阀门组件以及驱动所述阀门组件运动的气缸。
5.根据权利要求4所述的低温等离子体协同紫外光催化降解VOCs的装置，其特征在于，所述阀门组件包括设置于所述控制器进气口内部的阀板以及连接于所述阀板中心的转轴，所述气缸具有一活塞杆，所述阀板上固定一L型连杆，所述连杆端部设有一连杆轴，所述连杆轴与所述活塞杆轴接。
6.根据权利要求1所述的低温等离子体协同紫外光催化降解VOCs的装置，其特征在于，所述预处理净化器包括预处理净化室，所述预处理净化室内安装有过滤网。
7.一种低温等离子体协同紫外光催化降解VOCs的方法，其特征在于，其包括：
步骤S1，提供预处理净化室及设置于所述预处理净化室内的过滤网，所述VOCs废气进入预处理净化室，经所述过滤网除去废气中的颗粒物质；
步骤S2，提供气体流量控制器、气体流量检测器、高压电源及紫外灯，所述气体流量检测器检测预处理后VOCs废气的流量值，并判断流量值是否高于预设流量阈值；
如果检测流量值高于预设流量阈值，则反馈信息至所述气体流量控制器，所述气体流量控制器将气体流量调小；
如果检测流量值等于或低于预设流量阈值，则进入步骤S3；
步骤S3，根据VOCs废气的流量值设置输出电压，开启高压电源、紫外灯，致使等离子体管内产生等离子体，等离子体管内的催化剂协同等离子体对进入的VOCs废气进行降解。
8.根据权利要求7所述的低温等离子体协同紫外光催化降解VOCs的方法，其特征在于，步骤S2中，所述气体流量控制器具有一控制器进气口、阀板及气缸，当所述阀板旋转至与所述控制器进气口中心轴平行，气体的流量达到最大，所述阀板旋转至与所述控制器进气口中心轴垂直，所述控制器进气口关闭，通过所述气缸控制所述阀板相对所述控制器进气口中心轴的夹角，实现气体流量大小控制。
9.根据权利要求7所述的低温等离子体协同紫外光催化降解VOCs的方法，其特征在于，步骤S3中，输出电压设置为16-18KV，紫外灯强度3000μW/cm2，波长253.5nm。
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