CN112870967B - 一种催化分解VOCs的净化方法和净化装置 - Google Patents

一种催化分解VOCs的净化方法和净化装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及VOCs废气处理技术领域，具体涉及一种催化分解VOCs的净化方法和净化装置，该催化分解VOCs的净化装置，包括沿气体输送方向依次连通的集气罩、引风机和催化吸收塔，所述净化装置还包括与所述集气罩连通的雾化器，所述雾化器用于雾化废气净化用催化剂。使用时，将VOCs废气集中由集气罩收集并在引风机作用下送入催化吸收塔进行催化氧化分解，同时增设雾化器，使废气净化用催化剂雾化并与集气罩收集的VOCs废气共同输送，输送过程即发生催化氧化反应且持续至整个净化装置，最大限度地分解VOCs废气，提高净化效果。

Description

一种催化分解VOCs的净化方法和净化装置
技术领域
本发明涉及VOCs废气处理技术领域，具体涉及一种催化分解VOCs的净化方法和净化装置。
背景技术
近年来随着经济的发展，各种化工、涂料、家具、玩具、电子、喷涂等企业的大量产生，在加上环保投资力度的不够，导致了大量工业VOCs废气的排放，使得大气环境质量下降，给人体健康来严重危害。对VOCs废气的治理，目前已经开发出一些卓有成效的控制技术，如广泛采用活性炭法、冷凝法、喷淋吸收法等，近年来形成的新控制技术有生物膜法、光分解法、臭氧分解法、等离子体分解法等。
光分解VOCs有两种形式：一种是直接紫外光照令VOCs分解；另一种是催化剂存在下，紫外光照VOCs使之分解。光催化降解技术原理是光催化剂如TiO2在紫外线的照射下被激活，使气态H2O生成OH自由基和臭氧等强氧化性物质，然后将VOCs污染物氧化成CO2和H2O。有研究表明，VOCs氯化物和氟氯烃在185nm紫外光照射下，两种物质都能在极短的时间内分解，卤代物的分解速度大于氟氯烃；三氯乙烯几秒钟内即能分解成氧气、氯气、氟气等。光分解会产生中间产物，可通过氢氧化钠溶液处理或延长滞留时间等手段最终去除。用TiO2催化剂时可采用普通的荧光灯为光源来消除恶臭和非常低浓度的污染物。受催化剂降解效率的影响，光催化氧化法在工业上的应用还待开发。此外，紫外灯产生臭氧直接排放会污染空气。
液体吸收法是利用液体吸收液与VOCs废气的相似相溶性原理而达到处理VOCs废气的目的。但吸收法设备庞大，运行费用较高，对VOCs废气处理效率还不够理想，特别是处理疏水性物质是净化效果较差，通常为强化吸收效果用液体石油类物质、表面活性剂和水组成的混合液来作为吸收液。近年来，有人研究利用了用富含石油衍生品(如油、腊等)生产排水作为VOCs废气的吸收材料，根据其对VOCs气态分子亲合性极强的原理对VOCs气体进行吸收。这种吸收剂具有以废治废，捕集吸率高，可反复使用、运行成本低的优点，但也存在高浓废液不易处理等问题。
催化氧化分解法在国内外的研究也还较少。有研究表明H2O2、O3等氧化剂可用于净化VOCs废气，如专用传统放电臭氧发生器则存在设备庞大、投资运行费用高、彻底氧化时间长和有二次污染等问题。要解决上述问题需有催化剂参与反应，即可提高反应速度和效率，又可促进O3分解避免二次污染。在催化剂选择上，一般采样溶解性金属盐，但无吸附VOCs的功能，能在液相中同时吸附、催化分解VOCs的材料几乎空白。
当前市面的VOCs废气净化装置普遍功能单一，效果一般，表现为：
1、常规的活性炭吸附设备庞杂，吸附剂易饱和，更换或再生频繁，运行费用高；
2、紫外光解设备没有消除其产生的臭氧的措施，或者未充分利用剩余的臭氧去分解污染物，无催化剂或采用功能单一的催化剂，影响处理效果；
3、吸收法对VOCs废气处理效率还不够理想，而且高浓废液处理也是一大问题，仅能除去废气中部分VOCs物和颗粒物，基本不能吸收疏水性VOCs污染物，即使能高效吸收亲水性VOCs，若后续废液处理不迅速则使得溶于水的VOCs重新释放，从而令系统失效；
4、各种单一净化技术(设备)对不同类型工厂产生的多种混合VOCs废气适应性及处理效果一般，甚至有时效果很差。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的之一在于提供一种集多项催化净化VOCs技术于一体的催化分解VOCs的净化方法，具有适用性广、操作简便、净化效率高、床层阻力低和投资运行费用低的特点。
本发明的目的之二在于提供一种集多项催化净化VOCs技术于一体的催化分解VOCs的净化装置。
本发明的目的之一通过下述技术方案实现：一种催化分解VOCs的净化方法，包括如下步骤：
(S1)、将VOCs废气与雾化的废气净化用催化剂共混，得到共混气体；
(S2)、将所述共混气体经特种催化填料进行催化分解处理，得到第一净化气体；
(S3)、将所述第一净化气体经吸附型催化材料进行催化除雾处理，得到第二净化气体。
优选的，所述步骤(S2)还包括：对所述特种催化填料循环喷淋吸收液，以吸收VOCs废气。
优选的，所述步骤(S2)还包括：将所述吸收液经颗粒状催化材料催化分解处理和磁化棒磁化处理，以催化分解所述吸收液吸收的VOCs废气。
优选的，所述步骤(S2)还包括：将所述吸收液经溶气泵和微纳米气泡发生器处理，以增大所述吸收液的溶氧量。
本发明的目的之二通过下述技术方案实现：一种催化分解VOCs的净化装置，包括沿气体输送方向依次连通的集气罩、引风机和催化吸收塔，所述净化装置还包括与所述集气罩连通的雾化器，所述雾化器用于雾化废气净化用催化剂；所述催化吸收塔内沿气体输送方向依次设置有第一催化填料层和催化除雾层。
优选的，所述催化吸收塔的底部设置有吸收液层和第一出液孔，所述净化装置还包括循环泵以及与循环泵连通的喷淋装置，所述第一出液孔与循环泵的进液口连通，所述喷淋装置伸入所述催化吸收塔并设置于所述第一催化填料层和催化除雾层之间。
优选的，所述吸收液层设置有第二催化填料层和插设于第二催化填料层的磁化棒。
优选的，所述催化吸收塔的底部设置有第二出液孔以及进液孔，所述净化装置还包括溶气泵，所述第二出液孔、溶气泵和进液孔依次连通。
优选的，所述净化装置还包括微纳米气泡发生器，所述第二出液孔、溶气泵、微纳米气泡发生器和进液孔依次连通。
优选的，所述第二出液孔和溶气泵之间设置有第一控制阀，所述溶气泵和微纳米气泡发生器之间设置有第二控制阀；所述喷淋装置包括与所述循环泵连通的喷淋管以及与喷淋管连通的喷头；所述循环泵和喷淋装置之间设置有第三控制阀；所述雾化器和集气罩之间设置有第四控制阀；所述催化吸收塔的顶部开设有出气口。
本发明的有益效果在于：本发明的催化分解VOCs的净化方法，VOCs废气与雾化的废气净化用催化剂共混，共混输送过程即开始催化分解VOCs废气，最大限度地分解VOCs废气，提高净化效果；再在净化用催化剂、特种催化填料和氧气作用下催化分解，然后在吸附型催化材料作用下既可截留水雾，也能把残余的VOCs和雾化混合态废气净化用催化剂截留，并进一步分解VOCs废气；具有适用性广、操作简便、净化效率高、床层阻力低和投资运行费用低的新型VOCs废气处理设备，发挥各自优点而又克服各自缺点，产生1+1≥2的效果，通过提供一种广泛适用的、能处理含多种污染成分的VOCs废气净化技术和装置，较之主流活性炭吸附工艺或催化燃烧工艺的投资和运行费用均大幅下降；较之常规以酶固定在吸附材料的固相反应方式，采用喷雾的气相反应有着更长的反应时间，从而效果更加突出。而催化除雾更是首创，强化了处理效果。总而言之，本发明兼具有净化效率高、运行阻力少、操作简便、减少占地等优点，可做成一体化移动式净化装置，用于应急处理和无组织VOCs排放源等场合的处理。
本发明的催化分解VOCs的净化装置，使用时，将VOCs废气集中由集气罩收集并在引风机作用下送入催化吸收塔进行催化氧化分解，同时增设雾化器，使废气净化用催化剂雾化并与集气罩收集的VOCs废气共同输送，输送过程即发生催化氧化反应且持续至整个净化装置，最大限度地分解VOCs废气，提高净化效果；集气罩收集VOCs废气同时其含有空气，在被输送至催化吸收塔内经由第一催化填料层增大其停留时间，而且VOCs废气在第一催化填料层中以及在废气净化用催化剂作用下被氧气等氧化剂催化分解成CO2或无毒无害的小分子物质，从而起到进一步净化效果；设置的催化除雾层既可截留水雾，也能把残余的VOCs和雾化混合态废气净化用催化剂截留，并进一步分解VOCs废气。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
附图标记为：1、集气罩；2、引风机；3、催化吸收塔；4、雾化器；5、第一催化填料层；6、催化除雾层；7、吸收液层；8、循环泵；9、喷淋装置；91、喷淋管；92、喷头；10、第二催化填料层；11、磁化棒；12、溶气泵；13、微纳米气泡发生器；14、第一控制阀；15、第二控制阀；16、第三控制阀；17、第四控制阀；18、出气口。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
如图1所示，一种催化分解VOCs的净化方法，包括如下步骤：
(S1)、将VOCs废气与雾化的废气净化用催化剂共混，得到共混气体；
(S2)、将所述共混气体经特种催化填料进行催化分解处理，得到第一净化气体；
(S3)、将所述第一净化气体经吸附型催化材料进行催化除雾处理，得到第二净化气体。
在本实施例中，所述步骤(S2)还包括：对所述特种催化填料循环喷淋吸收液，以吸收VOCs废气。
在本实施例中，所述步骤(S2)还包括：将所述吸收液经颗粒状催化材料催化分解处理和磁化棒11磁化处理，以催化分解所述吸收液吸收的VOCs废气。
在本实施例中，所述步骤(S2)还包括：将所述吸收液经溶气泵12和微纳米气泡发生器13处理，以增大所述吸收液的溶氧量。
一种催化分解VOCs的净化装置，包括沿气体输送方向依次连通的集气罩1、引风机2和催化吸收塔3，所述净化装置还包括与所述集气罩1连通的雾化器4，所述雾化器4用于雾化废气净化用催化剂。
该催化分解VOCs的净化装置，使用时，将VOCs废气集中由集气罩1收集并在引风机2作用下送入催化吸收塔3进行催化氧化分解，同时增设雾化器4，使废气净化用催化剂雾化并与集气罩1收集的VOCs废气共同输送，输送过程即发生催化氧化反应且持续至整个净化装置，最大限度地分解VOCs废气，提高净化效果。废气净化用催化剂为市面上有售的液态有机催化剂，例如Zwaardemaker植萃因子生物酶有机催化剂，采用液态有机催化剂，雾化后在气态环境中迅速吸附气态污染物，并利用空气中的氧气快速分解气态污染物为CO2或小分子有机物，较之传统的固相或液相催化反应体系具有更高的净化效率，如生物酶本身能通过渗透、催化、降解、包裹的特性，在雾化状态下可以轻易捕捉空气中的有害物质，破坏共价键，进行有效降解，并将无法降解的物质及微生物包裹隔离，迅速带离，其中Zwaardemaker植萃因子解决了生物酶难保存、活性易失效等限制、保证了特殊复合生物酶被运用到空气治理领域，在此仅作为应用。
在本实施例中，所述催化吸收塔3内沿气体输送方向依次设置有第一催化填料层5和催化除雾层6。
采用上述技术方案，集气罩1收集VOCs废气同时其含有空气，在被输送至催化吸收塔3内经由第一催化填料层5增大其停留时间，而且VOCs废气在第一催化填料层5中以及在废气净化用催化剂作用下被氧气等氧化剂催化分解成CO2或无毒无害的小分子物质，从而起到进一步净化效果；设置的催化除雾层6既可截留水雾，也能把残余的VOCs和雾化混合态废气净化用催化剂截留，并进一步分解VOCs废气。进一步的，第一催化填料层5采用市面上有售的负载复合催化剂的特种催化填料，如环保用生物酶固定在多孔陶瓷孔隙和层板之间，这种固定化环保用生物酶是将高效复合生物酶反应时底物和产物在由颗粒或者层柱材料构筑的反应平台或者反应装置上进行有序转换，而生物酶不会流失，具有较好的稳定性。通过所含特选的高效复合生物酶的催化作用，可有效降解废气中的烷烃类、醛类、二甲苯、烯烃类、多环芳烃类、二氧化硫及氮氧化物等污染物，去除率在50％以上，大大提高处理效果，减少后续处理设施投资，并且可降低运行成本，在此仅作为应用。催化除雾层6采用市面上有售的颗粒状或纤维状吸附型催化材料，如含Fe、Co、Zn、Mo、Mn、Cu等金属氧化物中的一种或多种；传统除雾材料多采用疏水性塑料，其去除水雾效果较差，而且不具备催化分解功能，当采用上述亲水性的固体催化材料，则能起到除雾和催化分解气态污染物的双重功效，从而起到一箭双雕的作用，在此仅作为应用。进一步的，所述催化吸收塔3的空塔气速为0.2-2m/s，第一催化填料层5的高度为1-10m，液气比为1-20：1；优选的，所述催化吸收塔3的空塔气速为1m/s，第一催化填料层5的高度为5m，液气比为10：1。
在本实施例中，所述催化吸收塔3的底部设置有吸收液层7和第一出液孔，所述净化装置还包括循环泵8以及与循环泵8连通的喷淋装置9，所述第一出液孔与循环泵8的进液口连通，所述喷淋装置9伸入所述催化吸收塔3并设置于所述第一催化填料层5和催化除雾层6之间。
采用上述技术方案，吸收液层7的吸收液在循环泵8和喷淋装置9作用下循环喷淋，与废气充分接触并大量吸收，并在第一催化填料层5中以及在废气净化用催化剂作用下被氧气等氧化剂催化分解成CO2或无毒无害的小分子物质，从而起到进一步净化效果，且吸收液可循环吸收废气，避免废液处理不迅速则使得溶于水的VOCs重新释放而令净化失效。进一步的，所述吸收液层7采用市面上有售的吸收液，如十二烷基硫酸钠、聚氧乙烯辛基苯酚醚、十六烷基三甲基溴化铵、鼠李糖脂和脂肽等表面活性剂溶剂，还可含有溶解性催化剂，如含Fe、Co、Zn、Mo、Mn、Cu等无机盐或其VOCs络合物中的一种或多种，提高净化效果，在此仅作为应用。
在本实施例中，所述吸收液层7设置有第二催化填料层10和插设于第二催化填料层10的磁化棒11。
采用上述技术方案，加快吸收液中的VOCs废气催化分解。设置的磁化棒11为市面上有售的聚四氟乙烯磁棒或强磁棒，可降低表面张力和粘度，瞬间断开水分子团的氢键使其成为单个(或少个数)水分子，由此变成了磁化水、活化水，有利于各种物质分散，提高物质溶解度，可增大气态污染物吸收量；此外，磁场可协同水中氧化剂强化分解污染物，因其使得具有强氧化作用的羟基自由基大量产生，而且稳定持久，利于持续分解有机污染物，有研究表明：污水瞬间磁处理可直接去除COD(Chemical Oxygen Demand)20％左右，在此仅作为应用。所述第二催化填料层10采用市面上有售的颗粒状催化材料，如含Fe、Co、Zn、Mo、Mn、Cu等金属氧化物中的一种或多种，加快吸收液中的VOCs废气催化分解。将磁化棒11插设于第二催化填料层10，以利于磁化棒11和催化剂的共同作用下把能溶于水的VOCs废气氧化成CO2或其他易溶于水的小分子物质，从而实现吸收液再生和循环使用。进一步的，所述磁化棒11的磁感应强度为6000-18000Gs；优选的，所述磁化棒11的磁感应强度为12000Gs。
在本实施例中，所述催化吸收塔3的底部设置有第二出液孔以及进液孔，所述净化装置还包括溶气泵12，所述第二出液孔、溶气泵12和进液孔依次连通。
采用上述技术方案，借助溶气泵12增大吸收液层7的溶氧量，提高了第二催化填料层10和磁化棒11在氧气联合作用下催化氧化VOCs废气的处理能力，促进吸收液再生和循环使用，进一步提高净化效果。
在本实施例中，所述净化装置还包括微纳米气泡发生器13，所述第二出液孔、溶气泵12、微纳米气泡发生器13和进液孔依次连通。
采用上述技术方案，吸收液经溶气泵12和微纳米气泡发生器13处理后产生的气泡更持久，空气进入微纳米气泡发生器13充分溶解于水中，再返回催化吸收塔3内，协同第二催化填料层10对溶于水的有机污染物氧化成CO2或其他小分子物质，进一步提高净化效果。
在本实施例中，所述第二出液孔和溶气泵12之间设置有第一控制阀14，所述溶气泵12和微纳米气泡发生器13之间设置有第二控制阀15；所述循环泵8和喷淋装置9之间设置有第三控制阀16；所述雾化器4和集气罩1之间设置有第四控制阀17；便于控制吸收液的流动。
在本实施例中，所述喷淋装置9包括与所述循环泵8连通的喷淋管91以及与喷淋管91连通的喷头92，以提高吸收液的分散性，促进其在第一催化填料层5中分散流动，提高VOCs废气与吸收液的接触机率。
在本实施例中，所述催化吸收塔3的顶部开设有出气口18，以便于净化后的气体排放。
本发明运行时，先由集气罩1通过引风机2助力收集VOCs废气，同时雾化器4将废气净化用催化剂雾化并与收集的VOCs废气共混输送至催化吸收塔3，共混过程即开始催化分解VOCs废气；吸收液层7的吸收液由循环泵8抽送至喷淋装置9喷淋于第一催化填料层5，使吸收液渗入第一催化填料层5并与大部分VOCs废气接触吸收，一部分VOCs废气在第一催化填料层5中且在净化用催化剂、负载复合催化剂的特种催化填料和氧气作用下催化分解，剩余VOCs废气随吸收液一起落入吸收液层7；吸收液通过溶气泵12和微纳米气泡发生器13循环处理，增大吸收液的溶氧量，促进催化分解，在第二催化填料层10的颗粒状催化材料、磁化棒11和氧气作用下进一步催化分解VOCs废气，促进吸收液循环使用；设置的催化除雾层6既可截留水雾，也能把残余的VOCs和雾化混合态废气净化用催化剂截留，并进一步分解VOCs废气，最后经由出气口18排出净化处理后的废气。
本发明集催化氧化、磁化和喷淋吸收技术于一体，具有适用性广、操作简便、净化效率高、床层阻力低和投资运行费用低的新型VOCs废气处理设备，发挥各自优点而又克服各自缺点，产生1+1≥2的效果，通过提供一种广泛适用的、能处理含多种污染成分的VOCs废气净化技术和装置，较之主流活性炭吸附工艺或催化燃烧工艺的投资和运行费用均大幅下降；较之常规以酶固定在吸附材料的固相反应方式，采用喷雾的气相反应有着更长的反应时间，从而效果更加突出。而催化除雾更是首创，强化了处理效果。总而言之，本发明兼具有净化效率高、运行阻力少、操作简便、减少占地等优点，可做成一体化移动式净化装置，用于应急处理和无组织VOCs排放源等场合的处理。
对包装制品厂含多组分疏水性VOCs的废气以上述催化分解VOCs的净化方法和净化装置进行处理，空塔气速为0.5-1m/s，第一催化填料层5的气体停留时间为3-6s，液气比为6-9：1。催化吸收塔3的底部吸收液层7放置吸收液层7容积1/4的第二催化填料层10，第二催化填料层10的颗粒状催化材料粒径在10-30mm；实际处理风量在1000m3/h，含有甲苯、二甲苯、乙酸丁酯等多种有机物，经处理VOCs废气由300-360mg/m3降至100-120mg/m3，去除率达到60-72％。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本发明构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种催化分解VOCs的净化方法，其特征在于，包括如下步骤：
（S1）、将VOCs废气与雾化的废气净化用催化剂共混，得到共混气体；
（S2）、将所述共混气体经特种催化填料进行催化分解处理，得到第一净化气体；所述特种催化填料为固定化环保用生物酶；
（S3）、将所述第一净化气体经吸附型催化材料进行催化除雾处理，得到第二净化气体。
2.根据权利要求1所述的一种催化分解VOCs的净化方法，其特征在于：所述步骤（S2）还包括：对所述特种催化填料循环喷淋吸收液，以吸收VOCs废气。
3.根据权利要求2所述的一种催化分解VOCs的净化方法，其特征在于：所述步骤（S2）还包括：将所述吸收液经颗粒状催化材料催化分解处理和磁化棒磁化处理，以催化分解所述吸收液吸收的VOCs废气。
4.根据权利要求2所述的一种催化分解VOCs的净化方法，其特征在于：所述步骤（S2）还包括：将所述吸收液经溶气泵和微纳米气泡发生器处理，以增大所述吸收液的溶氧量。
5.一种催化分解VOCs的净化装置，其特征在于：包括沿气体输送方向依次连通的集气罩、引风机和催化吸收塔，所述净化装置还包括与所述集气罩连通的雾化器，所述雾化器用于雾化废气净化用催化剂；所述催化吸收塔内沿气体输送方向依次设置有第一催化填料层和催化除雾层；所述催化吸收塔的顶部开设有出气口，所述催化吸收塔的底部设置有吸收液层和第一出液孔，所述净化装置还包括循环泵以及与循环泵连通的喷淋装置，所述第一出液孔与循环泵的进液口连通，所述喷淋装置伸入所述催化吸收塔并设置于所述第一催化填料层和催化除雾层之间。
6.根据权利要求5所述的一种催化分解VOCs的净化装置，其特征在于：所述吸收液层设置有第二催化填料层和插设于第二催化填料层的磁化棒。
7.根据权利要求5所述的一种催化分解VOCs的净化装置，其特征在于：所述催化吸收塔的底部设置有第二出液孔以及进液孔，所述净化装置还包括溶气泵，所述第二出液孔、溶气泵和进液孔依次连通。
8.根据权利要求7所述的一种催化分解VOCs的净化装置，其特征在于：所述净化装置还包括微纳米气泡发生器，所述第二出液孔、溶气泵、微纳米气泡发生器和进液孔依次连通。
9.根据权利要求8所述的一种催化分解VOCs的净化装置，其特征在于：所述第二出液孔和溶气泵之间设置有第一控制阀，所述溶气泵和微纳米气泡发生器之间设置有第二控制阀；所述喷淋装置包括与所述循环泵连通的喷淋管以及与喷淋管连通的喷头；所述循环泵和喷淋装置之间设置有第三控制阀；所述雾化器和集气罩之间设置有第四控制阀。
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