CN112808177A

CN112808177A - 一种反应器以及包含该反应器的voc处理系统

Info

Publication number: CN112808177A
Application number: CN202110007831.1A
Authority: CN
Inventors: 张乐
Original assignee: Guangdong Vocational College of Environmental Protection Engineering
Current assignee: Guangdong Vocational College of Environmental Protection Engineering
Priority date: 2021-01-05
Filing date: 2021-01-05
Publication date: 2021-05-18

Abstract

本发明涉及一种反应器，包括反应装置，所述反应装置中设置有混合催化剂和紫外光源，所述混合催化剂成分包括CNTs/Fh和氧化剂，所述混合催化剂分散设置在反应装置中，所述紫外光源用于对所述反应装置提供光照；以及药剂混合装置，所述药剂混合装置中设置有搅拌机和循环水泵一；所述反应装置和药剂混合装置之间通过溢流口相连通。本发明的有益效果在于通过包括反应器的VOC处理系统，能实现VOC的高效去除；且反应器结构设计合理、易于操作，降低了投资和维护成本。本发明可以作为企业现有VOC喷淋吸收系统的模块化补充，改造简单，实现即插即用。

Description

一种反应器以及包含该反应器的VOC处理系统

技术领域

本发明涉及VOC净化技术领域，特别地涉及一种反应器，以及包含该反应器的VOC处理系统。

背景技术

目前挥发性有机物质(volatile organic compounds，VOC)处理方法主有吸收法、吸附法、生物法、燃烧法、等离子体法、光催化法等，其中光催化法由于工艺简单，投资运行成本低廉而被广泛使用。

按照催化剂状态的不同，可将光催化反应器分为：1、填充型光催化反应器，是在载体上负载催化剂后再将载体放入反应器内，该反应器具有结构简单、易于操作以及催化剂机械损失小等优点。李玉华等以玻璃珠作为载体，P25-TiO₂为光催化剂，研究了甲醛在填充式光催化反应器中的降解过程；填充型光催化反应器催化剂会导致光能利用率低下，从而难以实现工业化。2、悬浮型光催化反应器，是在反应器中装入光催化剂，有机污染物流入反应器，催化剂随着气流搅动，在紫外光的照射下，污染物与催化剂均匀混合，不存在质量传输的限制。Mansoubi H等研究了在汞灯照射下，以N-F-TiO₂催化剂，流化床反应器对乙醛的降解效率，结果显示，流化床用时200min可以完全降解乙醛；但是，悬浮式光催化反应器存在催化剂分离、回收困难的问题。3、镀膜式光催化反应器，是将催化剂制成膜状，负载于反应器壁、玻璃板、金属、光纤材料等载体上，以紫外光为光源，反应物从负载型催化剂层上通过时即可发生光催化降解反应。宋雪瑞等研发了一种新型风道式空气净化器，该净化器的光催化层蜂窝陶瓷板和壳体上均涂有光催化剂，结果显示，对甲醛降解率可达到55％-69％。在现有的这些反应器当中，运用最多的为镀膜型反应器。该反应器在使用时也存在一些缺陷，包括：第一，反应器中催化剂颗粒或催化剂膜在反应器内处于静止状态，与光和气反应物接触面积小，使反应速度和处理量都受到很大限制；第二，废气在催化剂表面停留时间不够，且化学反应与催化剂更新在同一反应区内进行，废气中污染物质降解不充分，处理效率低下。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种反应器结构，用于光芬顿的反应，其分为反应装置和药剂混合装置两个腔室，两者之间通过溢流口相连通。所述反应装置中设置有混合催化剂和紫外光源，用于对VOC进行分解并吸收。本发明还提供了一种包括上述反应器的VOC处理系统，其实质上是一种循环吸收耦合异相光芬顿处理有机废气的分段式装置，可以使得有机废气污染物得到高效去除。

本发明的一个目的在于提供一种反应器，其通过以下技术方案得以实现：

一种反应器，包括

反应装置，所述反应装置中设置有混合催化剂和紫外光源，所述混合催化剂成分包括CNTs/Fh和氧化剂，所述混合催化剂分散设置在反应装置中，所述紫外光源用于对所述反应装置提供光照；

药剂混合装置，所述药剂混合装置中设置有搅拌机和循环水泵一；

所述反应装置和药剂混合装置之间设置有溢流口。

进一步地，所述反应装置底部设置有曝气管。

曝气管曝气所产生的气泡为反应装置内部搅拌的主要动力，使反应器内气、固、液三相接触充分，污染物传质效率高，在催化剂表面停留时间长，降解更为彻底。

进一步地，所述反应装置中还设置有pH计、液位计、出气口中的一种或多种。

进一步地，所述紫外光源发射出的紫外光，波长为180-365nm。

本发明的一个目的在于提供包括上述反应器的VOC处理系统，其通过以下技术方案得以实现：

一种VOC处理系统，其包括上述反应器，以及

喷淋塔，

所述喷淋塔从下至上设置有进气口、若干个VOC吸收段、排气口，其中

所述VOC吸收段包括填料层和位于填料层上方的液体分布器，所述液体分布器用于喷淋包含离子液体的溶液；以及

气体检测系统，用于吸收并检测VOC；

其中，所述喷淋塔经循环水泵二与所述反应器连通，所述反应器经所述循环水泵一与所述液体分布器连通；

所述排气口经通风管与气体检测系统连通。

进一步地，所述VOC吸收段的个数至少为一个。

进一步地，所述喷淋塔还设置有

旋流板，其位于进气口和VOC吸收段之间，用于促进VOC在吸收塔内旋转。

旋流板通过增加VOC运动路径，以及剧烈的气相紊动，使得VOC与吸收液在时间和空间上得到充分的碰撞、接触、溶解、吸收，提高气液传质效率，并净化VOC中的颗粒物。

气液分离器，其位于VOC吸收段和排气口之间，用于捕集VOC夹带的液体，如雾粒或浆液。

进一步地，所述气体检测系统包括排风机、气体检测装置和气体排放装置，所述气体检测装置设置在气体排放装置和排风机之间。

进一步地，所述离子液体选自咪唑盐类、吡啶盐类、季铵盐类、季膦盐类、吡咯烷类、吗啉类、胍类、醇胺类的一种或几种。

进一步地，所述氧化剂为过氧化氢。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明反应器中催化剂分散设置在气液混合物中，增加了催化剂与气、液反应物的接触面积，也使紫外光源的有效光照面积得到提高，反应速率与降解效率更高；

2、本发明反应器的结构为一种多光源三相循环光催化反应体系，固相催化剂可拆卸地安装在反应器的反应装置上，极易分离，解决了传统悬浮式光催化反应器的催化剂分离、回收困难的问题；

3.本发明包括反应器的VOC处理系统所采用的离子液体，能有效降低表面界面张力，对VOC具有较强的增溶作用，从而提高气液固三相传质效率；

4.本发明包括反应器的VOC处理系统，具有污染物去除效率高、工艺设备简单、占地面积小、投资和运行成本低、操作简单等优点；

5.本发明可以作为企业现有VOC喷淋吸收系统的模块化补充，改造简单，实现即插即用。

附图说明

图1(a)为实施例1中所述反应器9的正视图；

图1(b)为实施例1中所述反应器9的右视图；

图1(c)为实施例1中所述反应器9的俯视图。

图2为实施例2中所述VOC处理系统的结构图。

附图标记：

8—充气泵，9—反应器，91—多孔曝气管，92—混合催化剂，93—pH计，94—紫外灯，95-反应装置，96—药剂混合装置，11—出气口，12—液位计，13—溢流口，14—搅拌机，15—循环水泵一；

1—进气口，2—旋流板，3—填料层，4—液体分布器，5—气液分离器，6—排气口，7—循环水泵二，16—离子液体储罐，17—酸储罐，18—液碱储罐，19—氧化剂储罐，20—通风管，21—排风机，22—气体检测装置，23—气体排放装置，24-喷淋塔。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。

其中混合催化剂92的详细制备方法，参见博士学位论文《基于水铁矿的高效异相芬顿催化材料的构建及性能研究》(第四章，4.2实验部分，第85页)。

实施例1

一种反应器9，包括

反应装置95，其中设置有混合催化剂92和紫外灯94，混合催化剂92成分包括CNTs/Fh和过氧化氢，所述混合催化剂92被分割为若干体积较小的部分，分散地固定在反应装置95中，从而有利于加大与反应装置95中液体的接触面积；所述反应装置95的顶部设置有四个石英套管，四个紫外灯94分别放置在对应的石英套管中加以固定，用于对所述反应装置95中的混合催化剂92提供持续的紫外光照；反应器9的底部设置有多孔曝气管91，用于对反应装置95中的液体进行持续曝气，从而使得在短时间内可以将反应装置95中的液体与混合催化剂92进行充分接触。反应器9还设置有pH计93、液位计12以及出气口11；

以及药剂混合装置96，其中设置有搅拌机14，并且其外接有循环水泵一15，用于将药剂混合装置96中的液体泵送至喷淋塔24中。

反应器还外接地设置有离子液体储罐16、酸储罐17、液碱储罐18、氧化剂储罐19；

所述反应装置95和药剂混合装置96之间通过溢流口13相连通。

实施例2

一种包括实施例1所述的反应器9的VOC处理系统，包括喷淋塔24，

所述喷淋塔24从下至上设置有进气口1、旋流板2、两个VOC吸收段、排气口6，其中

进气口1用于输入待处理的VOC；

旋流板，其位于进气口和VOC吸收段之间，用于促进VOC在吸收塔内旋转。旋流板通过增加VOC运动路径，以及剧烈的气相紊动，VOC与吸收液在时间和空间上得到充分的碰撞、接触、溶解、吸收，提高气液传质效率，并净化VOC中的颗粒物。

气液分离器，其位于VOC吸收段和排气口质检，用于捕集VOC夹带的液体，如雾粒或浆液。

所述VOC吸收段包括填料层3(高度为2m)和位于填料层3上方的液体分布器4，液体分布器4用于喷淋吸收VOC的离子液体；

所述液体分布器4的结构为：包括吸收液进液管、与进液管相通的横向管道、与横向管道相通的纵向分布管、设置在纵向分布管上的多个喷嘴；

还包括反应器9；

还包括气体检测系统，用于吸收并检测VOC，其包括排风机21、气体检测装置22和气体排放装置23，所述气体检测装置22设置在气体排放装置23和排风机21之间。

其中，所述喷淋塔24的底部经循环水泵二7与所述反应器9的一端相连通，反应器9经循环水泵一15与所述液体分布器4相连通；

所述排气口6经通风管20与气体检测系统相连通。

测试过程

基于实施例1-2中的反应器9和VOC处理系统，进行如下VOC吸收的测试。

其操作步骤如下所述：

1.准备工作：

(1)将离子液体十二烷基咪唑氯盐、硫酸(98wt％)、液体氢氧化钠(37wt％)、过氧化氢分别注入离子液体储罐16、酸储罐17、液碱储罐18、氧化剂储罐19中以待使用。将按上述文献配置的混合催化剂92均匀设置在反应器9的反应装置95中。

(2)向反应器9中持续注入水和上述试剂，形成包含离子液体的溶液，直到该溶液的量足以在整个VOC处理系统中形成循环，同时控制离子液体十二烷基咪唑氯盐的浓度为0.01-5wt％；，混合催化剂92中，CNTs/Fh占包含离子液体的溶液的0.1-1wt％；过氧化氢占包含离子液体的溶液的1-10wt％；并且通过控制硫酸和液体氢氧化钠注入的量，控制包含离子液体的溶液的pH值在3-11的范围内。

(3)打开紫外灯94，其中紫外灯以180-365nm的波长对反应装置95进行持续光照；同时打开外接于反应器的充气泵8，使得多孔曝气管91在反应装置95中进行持续曝气；同时打开循环水泵一15和循环水泵二7，从而使得包含离子液体的溶液在上述VOC处理系统中进行稳定循环。

2.工作原理：

将含有VOC的废气，从喷淋塔24的进气口1进入，废气由下至上通过旋流板2、两个VOC吸收段(填料层3的高度为2m，以及液体分布器4)；一方面，此时液体分布器4喷淋出的包含离子液体的溶液与废气相遇后，包含离子液体的溶液与VOC在填料层3中有较为宽裕的时间进行充分接触，从而将VOC吸收于包含离子液体的溶液之中并流入喷淋塔24的塔底。流入到喷淋塔24的塔底的携带有VOC的包含离子液体的溶液，经循环水泵二7泵送至反应器9的反应装置95中。在反应装置95中，在多孔曝气管91的曝气作用下，包含离子液体的溶液中的VOC与混合催化剂92，在多孔曝气管91的曝气作用下频繁接触，混合催化剂92在紫外灯94的持续光照下，产生具有强氧化能力的自由基·OH；·OH将VOC逐渐氧化为二氧化碳和水。

包含离子液体的溶液从溢流口13中溢流至药剂混合装置96中，在搅拌机14的持续搅拌下，残留的VOC与混合催化剂92所产生的·OH完全反应，从而被彻底降解为二氧化碳和水。包含离子液体的溶液由循环水泵一15泵送至喷淋塔24的液体分布器4中，完成一轮循环。

另一方面，喷淋塔24中的除去甲苯的废气经气液分离器5到达排气口6，经抽吸进入通风管20中，到达气体检测系统，经气体检测装置合格后，由气体排放装置对空排放。

测试例

为了测试本发明所述VOC处理系统的处理VOC的能力，选择3家家具制造厂为对象设定以下测试例1-3。本领域中公认的家具制造行业废气中VOCs达标排放标准为30mg/m³(广东省《家具制造行业挥发性有机化合物排放标准》DB44/814-2010)。

测试例1

某家具厂面漆房排放的VOC其成分包括含氧有机化合物、烷烃、烯烃、芳香烃以及卤代烃等。经检测，风量为6059m³/h，处理前VOC浓度合计123.01mg/m³，处理后VOC浓度合计20.72mg/m³。具体数据如表1所示。

表1测试例1中VOC的各成分占比

物质种类	处理前浓度(mg/m<sup>3</sup>)	处理后浓度(mg/m<sup>3</sup>)
			含氧有机化合物	56.08	6.17
烷烃	7.24	1.45
			芳香烃	58.24	12.81
卤代烃	1.43	0.29
			烯烃	0.02	0.01
合计	123.01	20.72

VOC处理系统的具体参数：离子液体十二烷基咪唑氯盐在溶液中的浓度为1wt％，混合催化剂中，过氧化氢的浓度为3wt％，CNTs的浓度为0.5wt％，溶液pH为4，紫外线有效波长为180nm。经上述VOC处理系统处理后，废气达标排放。

测试例2

某家具厂底漆房排放的VOC成分包括含氧有机化合物、烷烃、芳香烃、卤代烃以及烯烃等。经检测，风量为5227m³/h，处理前VOC浓度合计94.6mg/m³，处理后VOC浓度合计17.97mg/m³。具体数据如表2所示。

表2测试例1中VOC的各成分占比

VOC处理系统的具体参数：十二烷基咪唑氯盐在溶液中的浓度为1wt％，混合催化剂中，过氧化氢的浓度为3wt％，CNTs的浓度为0.5wt％，溶液pH为4，紫外线有效波长为254nm。经上述VOC处理系统处理后，废气达标排放。

测试例3

某家具厂废气排放口排放的VOC成分包括含氧有机化合物、烷烃、芳香烃、卤代烃以及烯烃等，经检测，风量为44777m³/h，处理前VOC合计55.43mg/m³，处理后VOC合计13.55mg/m³；具体数据如表3所示。

物质种类	处理前浓度(mg/m<sup>3</sup>)	处理后浓度(mg/m<sup>3</sup>)
			含氧有机化合物	19.17	2.30
烷烃	2.01	0.40
			烯烃	0.02	0.01
芳香烃	32.67	10.45
			卤代烃	1.56	0.39
合计	55.43	13.55

VOC处理系统的具体参数：十二烷基咪唑氯盐在溶液中的浓度为1wt％，混合催化剂中，过氧化氢的浓度为3wt％，CNTs的浓度为0.5wt％，溶液pH为4，紫外线有效波长为365nm。经上述VOC处理系统处理后，废气达标排放。

由上可知，处理前后VOC的各成分含量下降显著，因此本发明技术方案具有高效吸收和处理VOC的能力。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种反应器，其特征在于，包括

所述反应装置和药剂混合装置之间设置有溢流口。

2.根据权利要求1所述反应器，其特征在于，所述反应装置底部设置有曝气管。

3.根据权利要求1所述反应器，其特征在于，所述反应装置中还设置有pH计、液位计、出气口中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述反应器，其特征在于，所述紫外光源发射出的紫外光，波长为180-365nm。

5.一种VOC处理系统，其特征在于，包括根据权利要求1-4任一项所述反应器，以及

喷淋塔，

气体检测系统，用于吸收并检测VOC；

其中，

所述喷淋塔经循环水泵二与所述反应器连通，所述反应器经所述循环水泵一与所述液体分布器连通；

所述排气口经通风管与气体检测系统连通。

6.根据权利要求5所述VOC处理系统，其特征在于，所述VOC吸收段的个数至少为一个。

7.根据权利要求5所述VOC处理系统，其特征在于，所述喷淋塔还设置有

旋流板，所述旋流板位于进气口和VOC吸收段之间，用于促进VOC在吸收塔内旋转；

气液分离器，所述气液分离器位于VOC吸收段和排气口之间，用于捕集VOC夹带的液体。

8.根据权利要求5所述VOC处理系统，其特征在于，所述气体检测系统包括排风机、气体检测装置和气体排放装置，所述气体检测装置设置在气体排放装置和排风机之间。

9.根据权利要求5所述VOC处理系统，其特征在于，所述离子液体选自咪唑盐类、吡啶盐类、季铵盐类、季膦盐类、吡咯烷类、吗啉类、胍类、醇胺类的一种或几种。

10.根据权利要求5所述VOC处理系统，其特征在于，所述氧化剂为过氧化氢。