CN112915783A - 介质阻挡放电协同n型半导体催化剂深度氧化气态污染物的工艺 - Google Patents

介质阻挡放电协同n型半导体催化剂深度氧化气态污染物的工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种介质阻挡放电协同N型半导体催化剂深度氧化气态污染物的工艺，包括：将含有气态污染物的污染气体通过装有N型半导体催化剂的介质阻挡低温等离子体反应器，N型半导体催化剂置于介质阻挡低温等离子体反应器的放电区域内，低温等离子体放电产生高能电子和活性自由基，等离子体放电过程产生的多余高能电子与N型半导体催化剂中的电子进行碰撞，形成轨道电子的跃迁，产生“类光催化”行为，继而形成电子和空穴并进一步生成其他强氧化性物种，气态污染物在这些活性物种的共同作用下得到深度氧化，生成无害小分子或更有利于后续处理的高价态化合物。

Description

介质阻挡放电协同N型半导体催化剂深度氧化气态污染物的 工艺
技术领域
本发明涉及气态污染物处理技术领域，具体涉及一种介质阻挡放电协同N型半导体催化剂深度氧化气态污染物的工艺。
背景技术
等离子体是由正负电荷相等的正负带电粒子和中性粒子组成，物质处于完全或部分电离的状态，是除气、液、固外的第四种状态。低温等离子体是等离子体的一种，其电子能量达1-20eV(10000-250000K)，这些高能电子可与气体中的分子、原子发生非弹性碰撞使其电离和离解，从而产生大量自由基等活性粒子，引起常规化学反应中难以实现的物理和化学反应，使污染物得以降解去除。低温等离子体技术具有工艺简单、处理流程短、投资少、占地面积小等特点，被认为是一种处理气态污染物(NOx、VOCs等)的有效手段，广受国内外专家学者的关注。
为了进一步实现低耗高效同时提高目标产物的选择性，降低二次污染问题，常将低温等离子体技术与催化连用。近年来，采用低温等离子体协同催化处理气态污染物成为研究热点，并取得了一定的进展。
公开号为CN 105797579 A的专利说明书公开了一种等离子体协同介孔催化处理VOCs的工艺，该工艺采用利用等离子体的氧化能力、介孔催化剂的吸附和催化氧化作用将混合气体中的VOCs氧化为无害的CO2和H2O，并掺杂过渡金属进行改性来提高有机废气无害化处理效果，在输入电压为15KV，输入频率为50Hz时，甲苯的脱除率达到了95.2％。
公开号为CN 105597529 A的专利说明书公开了一种低温等离子体协同两段催化降解工业有机废气的工艺及装置，该工艺采用针板电晕放电场内协同泡沫状复合金属氧化物催化剂对VOCs进行初步处理，并在等离子体下游协同颗粒状氧化铝负载型催化剂，进一步降解副产物和残留的小分子有机物，当放电电压为18KV正高压时，甲苯的脱除率为98％，O3和NOx残留0ppm。
公开号为CN 102949930 A的专利说明书公开了一种常温下等离子体协同催化剂氧化NO脱除氮氧化物的方法，该工艺是将混合气中的NO在等离子体协同催化剂下定量氧化为NO2，处理后气体进入碱液吸收瓶回收，吸收后NO净化率高达95％以上。
由此可见，低温等离子体协同催化技术处理气态污染物是一种行之有效的废气处理工艺，但现有的与等离子体协同的催化剂都是与等离子体进行串联的形式各自作用，或利用等离子体放电过程产生的O3进行激发而起作用。等离子体放电过程中最主要的能量形式——高能电子并没在协同过程中得到有效利用，因而造成了等离子体放电过程大量的能量损耗。
发明内容
针对上述技术问题以及本领域存在的不足之处，本发明提供了一种介质阻挡放电协同N型半导体催化剂深度氧化气态污染物的工艺。通过放电过程中N型半导体催化剂的介入，可有效利用等离子体放电过程多余的高能电子，并能将其有效转化为强氧化性的活性自由基进行利用，从而提高等离子体放电过程的能量利用效率，实现一加一大于二的协同效果。本发明的目的是提供一种可深度氧化气态污染物的集成技术。
一种介质阻挡放电协同N型半导体催化剂深度氧化气态污染物的工艺，其特征在于，包括：将含有气态污染物的污染气体通过装有N型半导体催化剂的介质阻挡低温等离子体反应器，所述N型半导体催化剂置于所述介质阻挡低温等离子体反应器的放电区域内，低温等离子体放电产生高能电子和活性自由基，等离子体放电过程产生的多余高能电子与所述N型半导体催化剂中的电子进行碰撞，形成轨道电子的跃迁，产生“类光催化”行为，继而形成电子和空穴，并进一步生成其他强氧化性物种，气态污染物在这些活性物种的共同作用下得到深度氧化，生成无害小分子或更有利于后续处理的高价态化合物。
所述N型半导体催化剂的活化方式为低温等离子体放电产生的高能电子碰撞催化剂使之发生电子与空穴的分离，而不是光致激发，无需外加紫外光源。
本发明工艺所采用的半导体催化剂可以直接利用等离子体中的高能电子碰撞而被激发，产生空穴-电子对，继而生成羟基自由基、超氧自由基等强氧化性自由基对气态污染物进行降解，提高了低温等离子体系统的能量利用效率，对气态污染物的深度氧化效果明显。
等离子体产生的高能电子能量(1-20eV)与半导体的禁带宽度可匹配，通过等离子体中高能电子与N型半导体催化剂中富余电子的碰撞，进而实现电子的跃迁产生空穴-电子对，而后生成羟基自由基、超氧自由基等强氧化性自由基对气态污染物进行降解，形成“类光催化”行为。选用轨道电子富余的N型半导体催化剂与等离子体协同，N型半导体催化剂可充分利用等离子体中的高能电子进行激发，无需外加其他能量，提高了等离子体放电过程的能量利用效率。N型半导体催化剂被高能电子激发的“类光催化”作用可实现气态污染物的深度氧化，进一步提高处理效率，降低中间产物的产生；对于NO的去除，NO可被氧化至最高价态，有利于后期吸收。
作为优选，所述气态污染物包括氮氧化物、有机污染物中的至少一种。所述有机污染物包括甲苯、二甲苯、乙酸乙酯等。
作为优选，所述介质阻挡低温等离子体反应器为体积式介质阻挡放电反应器，其高压电极为金属板、金属针、星形线、锯齿线或芒刺线，低压电极为金属板或金属网。进一步优选，所述低温等离子体反应器为同轴体积式介质阻挡放电。
作为优选，所述介质阻挡低温等离子体反应器采用微秒或纳秒脉冲电源作为其高压电源，其电压幅值和频率根据实际工况调节，注入能量密度值由电压、电流和频率共同决定。进一步优选，所述低温等离子体反应器的高压电源采用调制式脉冲电源，其调制频率为1-1000Hz，占空比为1％-100％；更进一步优选，所述低温等离子体反应器的高压电源采用调制式脉冲电源，其调制频率为100-200Hz，占空比为50％-70％。
所述介质阻挡低温等离子体反应器的放电间隙优选为1～20mm，进一步优选为1～10mm，更进一步优选为3～6mm。
N型半导体催化剂是以电子为多子，更利于在等离子体中与高能电子发生碰撞而跃迁。作为优选，所述N型半导体催化剂包括WO3、CdS、Fe3O4、In2O3中的至少一种。
作为优选，所述N型半导体催化剂的形貌为粉末状、颗粒状、蜂窝状中的至少一种。粉末状N型半导体催化剂使用时均通过涂覆法负载在玻璃珠表面。
所述N型半导体催化剂用量优选为0.1～10g/100g玻璃珠，进一步优选为2～5g/100g玻璃珠。
所述玻璃珠优选为表面磨砂玻璃珠。
在一优选例中，所述介质阻挡放电协同N型半导体催化剂深度氧化气态污染物的工艺不外加紫外光源。
在一优选例中，所述介质阻挡放电协同N型半导体催化剂深度氧化气态污染物的工艺在常温常压下进行。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：
1)本发明将N型半导体催化剂放在介质阻挡等离子体放电区域内，充分利用介质阻挡等离子体放电产生的高能电子活化催化剂，使其价带上的电子跃迁，形成电子和空穴，并进一步生成O2 -、OH等强氧化性自由基，产生一种“类光催化”行为，提高了等离子体放电过程中能量的利用效率。
2)催化剂的活化源为介质阻挡等离子体放电产生的多余高能电子，无需外加能源，装置结构简单，能耗和成本较低。
3)介质阻挡放电协同N型半导体催化剂可对气态污染物如氮氧化物、挥发性有机物(VOCs)等实现明显的深度氧化，提高处理效率，降低中间产物和二次污染的产生。
4)在有NO存在时的气态污染物的降解过程中，该工艺可以打破NO2导致的快速NOx循环反应，避免了大量O自由基的消耗，进而提高了能效和处理效率。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
介质阻挡放电协同N型半导体催化剂深度氧化气态污染物的工艺，包括：将含有气态污染物的污染气体通过装有N型半导体催化剂的介质阻挡低温等离子体反应器，N型半导体催化剂置于介质阻挡低温等离子体反应器的放电区域内，低温等离子体放电产生高能电子和活性自由基，等离子体放电过程产生的多余高能电子与N型半导体催化剂中的电子进行碰撞，形成轨道电子的跃迁，产生“类光催化”行为，继而形成电子和空穴并进一步生成其他强氧化性物种，气态污染物在这些活性物种的共同作用下得到深度氧化，生成无害小分子或更有利于后续处理的高价态化合物。
实施例1
采用水热合成法制备正交晶型纳米N型半导体WO3催化剂。
使用本发明的介质阻挡放电协同N型半导体催化剂深度氧化气态污染物的装置和工艺进行氮氧化物的处理，低温等离子体的发生装置选用同轴体积式双介质阻挡放电，放电间隙为单边3.5mm，电源为调制式脉冲，占空比为60％，调制频率为65HZ，催化剂WO3为粉末状，涂覆在玻璃珠表面，填充于放电区域，催化剂用量为2g/100g玻璃珠载体。。初始气体浓度为：[NO]＝250ppm，6％O2，N2作载气，流速为3L/min。当能量密度为180J/L时，NO完全被去除，NO2的出口浓度相比空白等离子体降低了65％。
实施例2
采用化学滴定法制备N型半导体CdS催化剂。
使用本发明的介质阻挡放电协同N型半导体催化剂深度氧化气态污染物的装置和工艺进行氮氧化物、甲苯的处理，低温等离子体的发生装置选用同轴体积式双介质阻挡放电，放电间隙为单边3.5mm，电源为调制式脉冲，占空比为55％，调制频率为90HZ，催化剂CdS为粉末状，涂覆在玻璃珠表面，填充于放电区域，催化剂用量为3g/100g玻璃珠载体。初始气体浓度为：[甲苯]＝250ppm，空气作载气，流速为2L/min。当能量密度为380J/L时，甲苯去除率可达91％。初始气体浓度为：[NO]＝250ppm，6％O2，N2作载气，流速为3L/min。当能量密度为90J/L时，NO完全被去除，NO2的出口浓度相比空白等离子体降低了96％。
实施例3
采用化学滴定法制备N型半导体In2O3催化剂。
使用本发明的介质阻挡放电协同N型半导体催化剂深度氧化气态污染物的装置和工艺进行氮氧化物、甲苯的处理，低温等离子体的发生装置选用同轴体积式双介质阻挡放电，放电间隙为单边3.5mm，电源为调制式脉冲，占空比为40％，调制频率为120HZ，催化剂In2O3为粉末状，涂覆在玻璃珠表面，填充于放电区域，催化剂用量为4g/100g玻璃珠载体。初始气体浓度为：[甲苯]＝200ppm，空气作载气，流速为2L/min。当能量密度为350J/L时，甲苯去除率可达94％。初始气体浓度为：[NO]＝260ppm，6％O2，N2作载气，流速为3L/min。当能量密度为110J/L时，NO完全被去除，NO2的出口浓度相比空白等离子体降低了98％。
实施例4
采用化学滴定法制备N型半导体Fe3O4催化剂。
使用本发明的介质阻挡放电协同N型半导体催化剂深度氧化气态污染物的装置和工艺进行氮氧化物、甲苯的处理，低温等离子体的发生装置选用同轴体积式双介质阻挡放电，放电间隙为单边3.5mm，电源为调制式脉冲，占空比为60％，调制频率为60HZ，催化剂Fe3O4为粉末状，涂覆在玻璃珠表面，填充于放电区域，催化剂用量为5g/100g玻璃珠载体。初始气体浓度为：[甲苯]＝200ppm，空气作载气，流速为2L/min。当能量密度为350J/L时，甲苯去除率可达90％。初始气体浓度为：[NO]＝250ppm，6％O2，N2作载气，流速为3L/min。当能量密度为95J/L时，NO完全被去除，NO2的出口浓度相比空白等离子体降低了95％。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种介质阻挡放电协同N型半导体催化剂深度氧化气态污染物的工艺，其特征在于，包括：将含有气态污染物的污染气体通过装有N型半导体催化剂的介质阻挡低温等离子体反应器，所述N型半导体催化剂置于所述介质阻挡低温等离子体反应器的放电区域内，低温等离子体放电产生高能电子和活性自由基，等离子体放电过程产生的多余高能电子与所述N型半导体催化剂中的电子进行碰撞，形成轨道电子的跃迁，产生“类光催化”行为，继而形成电子和空穴并进一步生成其他强氧化性物种，气态污染物在这些活性物种的共同作用下得到深度氧化，生成无害小分子或更有利于后续处理的高价态化合物。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述气态污染物包括氮氧化物、有机污染物中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述介质阻挡低温等离子体反应器为体积式介质阻挡放电反应器，其高压电极为金属板、金属针、星形线、锯齿线或芒刺线，低压电极为金属板或金属网。
4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述介质阻挡低温等离子体反应器采用微秒或纳秒脉冲电源作为其高压电源。
5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述介质阻挡低温等离子体反应器的放电间隙为1～20mm。
6.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述N型半导体催化剂包括WO3、CdS、Fe3O4、In2O3中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述N型半导体催化剂的形貌为粉末状、颗粒状、蜂窝状中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述N型半导体催化剂使用时均通过涂覆法负载在玻璃珠表面，用量为0.1～10g/100g玻璃珠。
9.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述工艺不外加紫外光源。
10.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述工艺在常温常压下进行。
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