CN112007486A - 双介质阻挡低温等离子体协同催化处理VOCs线管反应单元 - Google Patents

双介质阻挡低温等离子体协同催化处理VOCs线管反应单元 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双介质阻挡低温等离子体协同催化处理VOCs线管反应单元，由绝缘介质套件、内电极、外电极、端盖套件、填充颗粒催化剂组成，所述绝缘介质套件包括内管、外管、穿孔封板、螺纹座，所述绝缘介质套件的内管内安装有内电极，所述内电极一端通过螺纹与螺纹座；所述绝缘介质套件的外管外壁紧贴有外电极；所述绝缘介质套件的外管一端通过螺纹连接端盖套件，另一端固定连接穿孔封板；所述填充颗粒催化剂均匀放置在绝缘介质套件的内管与外管之间，并由穿孔封板及端盖套件固定在反应单元内，构成一段式协同结构。本发明采用一段式协同结构，充分运用低温等离子体与光催化的协同作用，VOCs去除率高，副产物O3产量少。

Description

双介质阻挡低温等离子体协同催化处理VOCs线管反应单元
技术领域
本发明涉及一种废气处理反应单元，尤其是一种等离子体催化协同治理VOCs的线管反应单元。
背景技术
挥发性有机物(简称VOCs)是一类对人体和环境危害极大的大气污染物，挥发性有机物的治理已经成为大气污染控制工作的重点。
低温等离子体协同催化处理挥发性有机物技术是近年来新兴的技术。可以高效降解VOCs为无害的CO2和H2O。其处理VOCs的机理为低温等离子体反应器阳极和阴极两端施加交变高压后，在内部气体间隙产生交变电场。在交变电场中，部分过流气体分子被激发为低温等离子态，产生大量高能电子。这些高能电子一方面可以直接撞击VOCs使其解离；另一方面可以先生成O2·、OH·、NO·等自由基，再通过这些自由基破坏VOCs化学键使其解离。最终解离产物是CO2、H2O等。将TiO2催化剂加入到此过程中，可以提高反应活性，并降低O3、NOx等副产物产量。同时，低温等离子体在放电区会放出紫外辐射，可作为光催化的光能来驱动光催化反应，产生强活性电子、空穴对，进而分解VOCs以及副产物O3。目前市场上已有基于该技术的有机废气处理装置，但并未得到广泛的应用。尺寸大，维护困难，净化效率不稳定，臭氧等副产物生成等因素制约了该技术的工程应用。
专利公开号为CN102179145B的发明专利文献公开了一种等离子体催化协同治理VOCs的反应器。反应器为一段式协同结构，包括筒体，筒体为石英玻璃管，石英玻璃管的外壁面包裹金属导电物，金属导电物接交流高压电源(20-40kV)作为介质阻挡放电的外电极；不锈钢管接地作为介质阻挡放电的内电极；不锈钢管管壁开孔，并连接外部气源,气源为含湿氧气，用于降解附着于吸附剂和催化剂表面的沉积物，起到再生效果；石英玻璃管和不锈钢管之间形成放电气隙(5-10mm)，放电气隙内填充吸附剂和催化剂。根据其描述，该发明能够发挥氧化、吸附和催化三者间的协同作用，大大改善VOCs的降解，并有效抑制有害副产物的产生。
但该发明在工程推广上存在以下不足：
a.采用外电极接高压，内电极接地的形式，虽然有结构简单易于成型的优点，但对反应器与外界的绝缘防护提出了很高的要求。考虑到反应器散热，通常使用空气层绝缘，意味着成型的装置体积庞大，空间利用率低。
b.筒体内放电气隙填充了吸附剂与催化剂，其表面易沉积副产物，该发明没有从易于定期更换清洗的角度考虑优化反应器结构，而是另加气源进行定期吹扫再生，增加了系统负担，再生效果也有限。
c.采用单介质DBD结构，且内电极与吸附剂、催化剂直接接触，放电均匀性较差，且有一定电极腐蚀风险。
专利公开号为CN107252627A的发明专利申请文献公开了一种VOCs处理工艺及设备。反应器为两段式协同结构，前端是低温等离子体线管反应单元，后端加装真空紫外光催化段。该发明模块化程度高，前端与后端可以独立拆卸维护，易于工程推广。但不足之处在于两段式结构相比一段式尺寸偏大，且后端光催化段需要额外配置紫外灯提供光源。
发明内容
本发明提供一种双介质阻挡低温等离子体协同催化处理VOCs线管反应单元，可以克服前文所述的现有低温等离子体协同催化处理有机废气设备的不足，具备良好的工程应用价值。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种双介质阻挡低温等离子体协同催化处理VOCs线管反应单元，由绝缘介质套件、内电极、外电极、端盖套件、填充颗粒催化剂组成，所述绝缘介质套件包括内管、外管、穿孔封板、螺纹座，所述绝缘介质套件的内管内安装有内电极，所述内电极一端通过螺纹与螺纹座；所述绝缘介质套件的外管外壁紧贴有外电极；所述绝缘介质套件的外管一端通过螺纹连接端盖套件，另一端固定连接穿孔封板；所述填充颗粒催化剂均匀放置在绝缘介质套件的内管与外管之间，并由穿孔封板及端盖套件固定在反应单元内，构成一段式协同结构。
进一步，所述内电极接高压，所述外电极接地。
进一步，所述绝缘介质套件采用模具浇铸一体成型，材料为C795高铝瓷，表面涂覆TiO2。
进一步，所述内电极为外螺纹丝棒结构，材料为不锈钢。
进一步，所述外电极采用金属编织网，金属编织网的目数为16-80目，材料为不锈钢。
进一步，所述端盖套件采用模具浇铸一体成型，材料为C795高铝瓷。
进一步，所述端盖套件包括穿孔盖板和限位卡槽，穿孔盖板中间设有限位卡槽，限位卡槽末端配置密封圈；所述端盖套件通过限位卡槽与内管密封连接。
进一步，所述填充颗粒催化剂的颗粒表面涂覆TiO2；颗粒的直径大于绝缘介质套件穿孔封板的孔径。
本发明的有益效果是：
1)采用一段式协同结构，充分运用低温等离子体与光催化的协同作用，VOCs去除率高，副产物O3产量少。
2)无需外加紫外光源以及气源，系统资源需求少。
3)通过独特的反应单元优化绝缘结构设计，解决了常规反应内部存在大面积放电死区(两端)的缺陷以及反应器外部需要空气层绝缘的问题，极大提高了空间利用率。由本发明反应单元阵列组成的有机废气处理模块具有结构紧凑，尺寸小的优点。
4)通过本发明的独特的绝缘介质套件设计，实现反应单元阴极、阳极、绝缘介质等各部件间的可靠连接，使得本发明在倾斜、摇摆、颠震等环境下能够可靠运行，突破传统设备在舰船、汽车、飞机等环境条件下的应用限制。
5)本发明所述反应单元，内、外电极与待处理废气均不接触。避免了长期运行后内、外电极出现腐蚀或者表面沉积导致的沿面放电发生。均匀的等离子体场在双绝缘介质之间的气体间隙产生，因此设备处理效率稳定，可靠性高。
6)本发明所述反应单元，通过端盖设计，其内部填充的颗粒催化剂可以方便地取出更换或再生，可维性好。
附图说明
图1为本发明的反应单元的外形结构图；
图2为图1的A-A剖面图，体现本发明内部结构；
图3为图2的B-B剖面图，体现本发明反应单元主体截面结构；
图4为图2的C-C剖面图，体现穿孔封板和螺纹座的具体结构；
图5为图2的D-D剖面图，体现穿孔盖板、限位卡槽、密封圈的具体结构；
图6为实施例中所属本发明反应器的阵列组合排布方式；
图中：绝缘介质套件1，内管11，外管12，穿孔封板13，螺纹座14，内电极2，外电极3，端盖套件4，穿孔盖板41，限位卡槽42，密封圈43，填充颗粒催化剂5。
具体实施方式
下面结合具体的实例对本发明做进一步的详细说明，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。
如图1至图5所示，一种双介质阻挡低温等离子体协同催化处理VOCs线管反应单元，采用一段式协同结构，由绝缘介质套件1、内电极2、外电极3、端盖套件4、填充颗粒催化剂5组成。
绝缘介质套件1，采用模具浇铸一体成型，结构上包括内管11、外管12、穿孔封板13、螺纹座14四个部分。优选的材料为C795高铝瓷，表面无釉层。绝缘介质套件1浇铸一体成型后，采用浸渍、提拉法在其表面涂覆TiO2。
内电极2，形式为外螺纹丝棒，优选的材料为不锈钢。内电极2安装在绝缘介质套件1的内管内部，一头与螺纹座14通过螺纹连接。内电极2通高压。
外电极3，形式为金属编织网，优选的目数为16-80目，优选的材料为不锈钢。外电极3紧贴绝缘介质套件1外管外壁安装。外电极3接地。
端盖套件4，采用模具浇铸一体成型，结构上包括穿孔盖板41和限位卡槽42两个部分。穿孔盖板41中间设有限位卡槽42，限位卡槽42末端配密封圈。优选的材料为C795高铝瓷，表面无釉层。端盖套件4与绝缘介质套件1的外管通过螺纹连接，并通过限位卡槽42与内管11密封连接。
填充颗粒催化剂5，颗粒表面采用浸渍、提拉法涂覆TiO2。填充颗粒催化剂球体直径大于绝缘介质套件穿孔封板的孔径。填充颗粒催化剂5均匀放置在绝缘介质套件1的内管11与外管12之间，并被其穿孔封板13及端盖套件4固定在反应单元内。
本发明处理VOCs的机理为：
内、外电极上施加交流高压(15-20kV)后，在绝缘介质套件内、外管之间形成交变电场。待处理气体自端盖套件的穿孔盖板处进入交变电场内，一部分气体分子被激发为低温等离子态，产生大量高能电子。这些高能电子不仅可以直接撞击VOCs使其解离，同时可以生成O2·、OH·、NO·等自由基，通过这些自由基破坏VOCs化学键使其解离。在管壁以及填充颗粒表面的TiO2催化作用下，该过程反应活性得到提高。同时，生成的等离子体释放出紫外辐射，作为光能驱动了光催化反应，产生强活性电子、空穴对，进而分解VOCs以及副产物O3。经处理后气体从穿孔封板流出，在穿孔封板处气体内残留的副产物O3得到进一步分解。
实施例：
实施例的结构设计参照发明内容，具体设计参数如下：
绝缘介质套件，壁厚均为2.5mm，内管尺寸为φ8.1x2.5mm，外管尺寸为φ25x2.5mm，形成的气体间隙为8.45mm，管长为300mm，螺纹座内螺纹尺寸为M3，封板穿孔尺寸为φ1mm。材料选用C795高铝瓷，表面涂覆TiO2，具体的涂覆方法为：
采用型号为MZT-A1的水相单分散纳米TiO2粉体(3-5nm粒径)，配置成0.8％质量浓度的水溶液。将清洁后绝缘介质套件置入溶液中浸渍、提拉成膜，取出后采用100℃固化。
内电极为M3丝棒，材料选用不锈钢。外电极为金属编织网，16目，厚度0.5mm，材料选用不锈钢。
端盖套件壁厚均为2.5mm，盖板外径φ28，穿孔尺寸为φ1mm，限位卡槽外径φ2.5mm，高度4mm。
填充颗粒催化剂，颗粒粒径为2mm，采用沸石作为载体，表面涂覆TiO2。具体的涂覆方法同绝缘介质套件。
将上述参数的反应单元，采用阵列形式组合成有机废气处理模块，见图6，用于处理甲苯废气。
当入口甲苯浓度为300mg/m3，在反应器上施加20kV脉冲交流高压，输出频率为15kHz，停留时间为10s，甲苯去除率90.2％，副产物O3浓度1.9mg/m3。

Claims (8)

1.一种双介质阻挡低温等离子体协同催化处理VOCs线管反应单元，由绝缘介质套件、内电极、外电极、端盖套件、填充颗粒催化剂组成，所述绝缘介质套件包括内管、外管、穿孔封板、螺纹座，所述绝缘介质套件的内管内安装有内电极，所述内电极一端通过螺纹与螺纹座；所述绝缘介质套件的外管外壁紧贴有外电极；所述绝缘介质套件的外管一端通过螺纹连接端盖套件，另一端固定连接穿孔封板；所述填充颗粒催化剂均匀放置在绝缘介质套件的内管与外管之间，并由穿孔封板及端盖套件固定在反应单元内，构成一段式协同结构。
2.根据权利要求1所述的双介质阻挡低温等离子体协同催化处理VOCs线管反应单元，其特征在于：所述内电极接高压，所述外电极接地。
3.根据权利要求1所述的双介质阻挡低温等离子体协同催化处理VOCs线管反应单元，其特征在于：所述绝缘介质套件采用模具浇铸一体成型，材料为C795高铝瓷，表面涂覆TiO2。
4.根据权利要求1所述的双介质阻挡低温等离子体协同催化处理VOCs线管反应单元，其特征在于：所述内电极为外螺纹丝棒结构，材料为不锈钢。
5.根据权利要求1所述的双介质阻挡低温等离子体协同催化处理VOCs线管反应单元，其特征在于：所述外电极采用金属编织网，金属编织网的目数为16-80目，材料为不锈钢。
6.根据权利要求1所述的双介质阻挡低温等离子体协同催化处理VOCs线管反应单元，其特征在于：所述端盖套件采用模具浇铸一体成型，材料为C795高铝瓷。
7.根据权利要求6所述的双介质阻挡低温等离子体协同催化处理VOCs线管反应单元，其特征在于：所述端盖套件包括穿孔盖板和限位卡槽，穿孔盖板中间设有限位卡槽，限位卡槽末端配置密封圈；所述端盖套件通过限位卡槽与内管密封连接。
8.根据权利要求1所述的双介质阻挡低温等离子体协同催化处理VOCs线管反应单元，其特征在于：所述填充颗粒催化剂的颗粒表面涂覆TiO2；颗粒的直径大于绝缘介质套件穿孔封板的孔径。
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