CN113941239B - 一种利用微波等离子体高效净化有害尾气的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用微波等离子体高效净化有害尾气的方法及装置，该方法包括如下步骤：制备含有金属材料的吸附体，将含有有害物质的尾气通过所述吸附体；利用微波照射吸附体上，吸附体上吸附的有害物质在高温环境下发生氧化反应；吸附体上吸附的有害物质在高温环境下发生氧化反应生成的氧化物在吸附体内形成自然插层；微波照射在吸附体的金属材料上，吸附体中的金属材料与微波作用发生放电反应并形成高温等离子体，高温等离子体在微波作用下对吸附有有害物质的所述吸附体进行微波等离子体裂解处理。本方案能够对有害尾气进行高效净化处理，不仅能够实现尾气中有害物质的零排放，同时还能将尾气中的有害物质进行转换以实现再生利用。

Description

一种利用微波等离子体高效净化有害尾气的方法及装置
技术领域
本发明涉及尾气净化处理技术领域，具体涉及一种利用微波等离子体高效净化有害尾气的方法及装置。
背景技术
能源和环境是一个国家或社会可持续发展的重要支柱，也是其发展进程中所需面临的重大挑战。在生产/生活中传统能源的消耗通常会伴随着大量的有害尾气的排出，这些尾气排入大气会对全球气候及生态环境造成不利的影响。相应地，为了缓解和解决能源与环境的问题也提出了一系列重要的方法和措施。如开发和使用新能源、清洁能源，节能减排等应对方法及措施也一直在推行和不断的优化及完善。
目前，我国的能源结构依然以煤炭等传统能源为主，在推行节能减排的同时也需充分做好传统能源的储存或有效利用，避免在能源紧缺或短缺的情况下造成不可再生能源的浪费。例如，在生产和生活中通常会形成大量的包括农林生产过程中的秸秆、树木等木质素、农业产品加工下脚料、农林废弃物及畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物等在内生物质，这些生物质能源一旦不能及时进行转化储存或利用将直接被浪费，但采用直接燃烧利用或碳化处理不可避免会形成一定的有害物质混入气体并排入大气中，比如颗粒物、SO2、NOX、CO甚至二噁英类等，因此需要尽可能减少甚至完全消除这些有害物质的形成及排放，以满足国家法规的相关要求。因此，在开发新能源、节能减排的同时，如何能够实现对能源消耗产生的有害尾气进行高效、快速的清洁净化处理也成为了本领域急需解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：如何提供一种能够对有害尾气进行高效净化处理，不仅能够实现尾气中有害物质的零排放，同时还能将尾气中的有害物质进行转换以实现再生利用的利用微波等离子体高效净化有害尾气的方法及装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种利用微波等离子体高效净化有害尾气的方法，包括如下步骤：
步骤1）制备含有金属材料的吸附体；将含有有害物质的尾气通过所述吸附体，以使得所述吸附体对尾气中的有害物质进行吸附；
步骤2）利用微波照射在步骤1）的所述吸附体上，所述吸附体吸收微波并形成高温，所述吸附体上吸附的有害物质在高温环境下发生氧化反应；
步骤3）所述吸附体上吸附的有害物质在高温环境下发生氧化反应生成的氧化物持续被所述吸附体吸附，并在所述吸附体内形成自然插层；
步骤4）微波照射在所述吸附体的金属材料上，所述吸附体中的金属材料与微波作用发生放电反应并形成高温等离子体，高温等离子体在微波作用下对吸附有有害物质的所述吸附体进行微波等离子体裂解处理，以使得有害物质中的有机物被还原生成碳材料和石墨烯材料。
本发明的工作原理为：本发明利用高性能吸附体的优异吸附性能对尾气中的有害物质进行高效吸附，吸附体对微波的高效吸收形成的高温环境使有害物质中的含硫、含氮类物质氧化并耗氧形成无氧环境，再结合微波与金属放电产生的微波等离子体效应实现对有害物质的微波等离子体裂解处理，微波等离子体裂解处理使吸附的有害物质发生快速裂解，其中，含碳类物质可直接裂解还原生成碳材料和石墨烯材料，部分含硫、氮类物质在微波等离子体裂解中可转化为功能基团的形式与还原石墨烯材料相结合，还原碳材料和石墨烯材料可作为吸附材料，使吸附体的吸附材料持续增多，且膨胀程度持续增加，进而显著增强吸附体的吸附效率和吸附能力。故本方案使有害物质中的有机物被还原为碳材料和石墨烯材料，通过高效吸附+微波等离子体裂解处理实现对有害尾气的高效双重净化处理，进而基本实现尾气的零排放处理。
本发明能够实现对有害尾气的绿色、高效、快速清洁净化处理，大大降低甚至消除有害物质，实现零排放从而符合国家标准，同时能将尾气中的有害物质 “变废为宝”，直接转化为碳材料和石墨烯材料可作为吸附材料不断再生供有害尾气净化处理使用，甚至可作为原材料应用于其他领域；本发明能够广泛应用于各种生活、生产中产生有害尾气的净化处理，如生物质碳化、垃圾焚烧、白色污染处理等环保能源行业的尾气处理，橡胶轮胎、石油化工等生产制造行业的生产尾气处理，以及汽车尾气等生活尾气处理。
优选的，还包括步骤5），将步骤4）中经过处理的尾气依次通入到Ca(OH)2浆液和氨水溶液中进行脱硫脱硝处理。
这样，步骤2）中氧化反应产生的氧化物在步骤3）中将大部分被吸附在吸附体上形成自然插层，另外仍然有小部分未形成自然插层的氧化物将最终在依通入到Ca(OH)2浆液和氨水溶液时进行脱硫脱硝处理，从而实现尾气的全部净化处理。
优选的，还包括步骤6），将经过步骤5）处理后的清洁尾气通过气体压缩机进行压缩后再输送到气体储存单元中进行储存。
这样，将经过净化处理后的尾气进一步通过气体压缩机进行压缩后输送到气体储存单元进行储存，由此实现对净化处理后的气体进行收集、压缩、储存的目的，进而可对清洁尾气进行回收利用并实现零排放；净化后气体以CO2为主，采用先压缩后储存的方式，对CO2气体进行收集和储存，实现零排放处理。
优选的，所述吸附体包括过滤材料层和吸附材料层，步骤1）中含有有害物质的尾气在通过所述吸附体时，尾气将依次经过所述过滤材料层和所述吸附材料层。
这样，吸附体可实现对尾气中有害物质的高效吸附，实现对有害尾气的初次净化处理，其中过滤材料层主要用于放置吸附材料层，并可实现对有害尾气中较大部分的固体颗粒物的过滤，吸附材料层主要用于对有害尾气中以微颗粒物为主的固体物质，有害尾气中的气体物质及挥发物质的高效吸附。
优选的，所述吸附材料层的比表面积为400-2000m2/g，且所述吸附材料层的孔隙率不小于40%，所述吸附材料层为石墨烯、膨胀石墨、活性炭、活性碳纤维、沸石、煤质吸附剂中的任意一种或多种。
这样，吸附材料层的比表面积为400-2000m2/g，且所述吸附材料层的孔隙率不小于40%，以保证吸附材料层的吸附效果，当有害物质通过吸附材料层，利用吸附材料层优异的吸附性能能够对其中的小颗粒物、有害气体、重金属及其化合物等有害物质实现高效吸附，实现对尾气初次净化的作用。
优选的，所述吸附体中添加可膨胀石墨和/或金属氧化物微纳米颗粒。
这样，在吸附体中添加的可膨胀石墨可以在微波插层作用下不断膨胀，从而显著增强吸附材料层的吸附能力，而吸附材料层中添加金属氧化物微纳米颗粒用于实现对吸附的含硫类物质的脱硫处理。
优选的，所述过滤材料层上设有过滤孔，所述过滤孔的孔径不大于1mm，且所述过滤材料层为陶瓷滤网、金属滤网或复合材料滤网。
这样，过滤材料层通过微米级的孔径能够对有害尾气中的较大颗粒实现过滤，并使得小颗粒物、有害气体等通过过滤材料层到达吸附材料层进一步被吸附。
优选的，所述吸附体内还设有催化材料，步骤4）中，高温等离子体在无氧环境下结合催化材料对吸附体上吸附的有害物质进行微波等离子体裂解处理。
这样，通过设置催化材料，催化材料的加入显著增强吸附体的导电性和吸附性。催化材料与吸附体可采用分层、混合或包覆的方式，并覆于过滤材料层上，催化材料可选用碳量子点、石墨烯量子点、氧化石墨烯量子点等。
一种实现上述利用微波等离子体高效净化有害尾气的方法的装置，包括反应腔体、吸附组件和微波组件，所述反应腔体上设有进气口、排气口、缓冲腔和尾气净化腔，在所述尾气净化腔的内侧还设有内腔管；
所述吸附组件包括沿所述内腔管的竖向均匀分布的多个吸附体，所述吸附体包括过滤材料层、吸附材料层和催化材料层，所述吸附材料层和所述催化材料层采用分层、混合或包覆的方式置于所述过滤材料层上；。
所述微波组件包括分布在所述反应腔体外周侧的多个微波体，所述微波体的位置与所述吸附组件的位置相对应，所述微波体包括微波源和微波溃口，在所述反应腔体上与所述微波溃口对应的位置开设有安装孔，所述微波溃口连接在所述安装孔处，以使得所述微波源发射的微波能够经所述微波溃口照射在所述吸附组件上。
这样，本方案的反应腔体主要用于为有害尾气的有效集中碳化处理提供空间条件，进气口为有害尾气输入端，可直接与生物质碳化生产设备的尾气排出管相连通；排气口为净化处理后尾气的输出端，可直接排出空气，或优选连接气体压缩机对CO2气体进行统一的收集、储存；缓冲腔用于为输入的有害尾气进行缓冲处理，并可选择性放置催化材料；尾气净化腔用于进行有害尾气的清洁净化处理，尾气净化腔主要用于布置、安装吸附组件和微波组件，是实现有害尾气清洁处理的重要部位；内腔管用于直接发生有害物质的微波等离子体高温裂解碳化，并可承受碳化过程中的高温。
吸附组件用于实现尾气中有害物质的有效吸附，吸附组件中的多个吸附体采用多层布局的方式竖向均匀分布在内腔管的内部，以增强吸附效率；吸附体为由过滤材料层、吸附材料层、催化材料层组成的吸附-微波净化材料层，过滤材料层安装固定在尾气净化腔中对应的内腔管内，吸附材料层和催化材料层分别作为吸附材料和催化材料均匀混合并平铺在过滤材料层上；其中，过滤材料层主要实现通过气态物质，同时保证吸附材料层和催化材料层的均匀布置，吸附材料层主要用于对尾气中的有害物质的吸附；催化材料层可催化并促进有害物质的微波等离子体高温裂解过程。
微波组件中的微波源主要用于发射微波，微波溃口主要用于实现透微波，阻烟尘的作用，使得微波能够有效到达吸附组件上。
优选的，所述反应腔体内还设有保温层，所述保温层设于所述尾气净化腔的内表面或内部，以对所述尾气净化腔内部进行保温隔热；
所述微波组件包括至少两个分布在所述反应腔体外周侧的微波体，且各所述微波体在所述反应腔体的外周侧均布布置并在竖向方向错位设置。
这样，保温层用于实现对微波等离子裂解过程的尾气净化腔内部的保温隔热，反应腔体外周侧至少分布两个微波体，使得微波体能够从不同的方向向吸附组件处发射微波，进而保证对尾气的净化处理效果，同时微波体在竖向方向错位设置，避免两两微波源之间产生相应抵消的作用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明能够同时对尾气中的有害物质进行吸附和高温裂解处理，实现高效吸附+微波等离子体裂解的双重净化处理，同时在对尾气中的有害物质进行高效吸附的同时，还能够利用微波等离子体技术实现对有害物质的快速高温裂解处理，显著提高了尾气处理的效率，大大减少或消除有害物质，达到完全清洁净化的效果。
2、本发明能够实现对吸附材料中可膨胀石墨的插层膨胀以增加吸附体的膨胀程度，同时还原生成碳材料和石墨烯材料可再生用做吸附材料增加吸附材料的量，从而在净化尾气处理过程中可能不断增加吸附材料的吸附效率和吸附能力。
3、本发明对有害尾气净化处理的产物具有较高的经济效益，实现了“变废为宝”，所得到的碳材料和石墨烯材料可直接作为吸附材料进一步促进并显著增大对有害物质的吸附量，也可作为原材料应用于其他领域，同时经过微波高效净化处理后的尾气主要以CO2的形式进行收集和储存，实现零排放。
附图说明
图1为本发明利用微波等离子体高效净化有害尾气的方法的流程图；
图2为本发明利用微波等离子体高效净化有害尾气的方法的吸附过程示意图；
图3为本发明利用微波等离子体高效净化有害尾气的方法中微波等离子体产生示意图；
图4为本发明利用微波等离子体高效净化有害尾气的方法中微波等离子体裂解过程示意图；
图5为本发明利用微波等离子体高效净化有害尾气的方法中脱硫脱硝后处理的过程示意图；
图6为本发明利用微波等离子体高效净化有害尾气的方法中脱硫处理的原理示意图；
图7为本发明利用微波等离子体高效净化有害尾气的方法中脱硝处理的原理示意图；
图8为本发明利用微波等离子体高效净化有害尾气的装置的立体结构示意图；
图9为本发明利用微波等离子体高效净化有害尾气的装置的局部剖视图；
图10为本发明利用微波等离子体高效净化有害尾气的装置的结构布局示意图；
图11为本发明实施例装置的实物图；
图12为采用本发明的方法和装置对尾气净化处理前后的拉曼光谱图。
附图标记说明：反应腔体1、金属外腔体101、进气口1011、排气口1012、缓冲腔1013、尾气净化腔1014、保温层102、内腔管103、吸附体2、过滤材料层201、吸附材料层202、催化材料层203、微波体3、微波源301、微波溃口302。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如附图1所示，一种利用微波等离子体高效净化有害尾气的方法，包括如下步骤：
步骤1）制备含有金属材料的吸附体；将含有有害物质的尾气通过吸附体，以使得吸附体对尾气中的有害物质进行吸附；如附图2所示；
步骤2）利用微波照射在步骤1）的吸附体上，吸附体吸收微波并形成高温，吸附体上吸附的有害物质在高温环境下发生氧化反应；在本实施例中，利用微波作用在吸附体上形成的高温环境主要将吸附的含硫类物质和含氮类物质主要氧化转化为SO2和NO2；也可能存在少量的SO3、NO等气体硫、氮类氧化物；
步骤3）吸附体上吸附的有害物质在高温环境下发生氧化反应生成的氧化物持续被吸附体吸附，并在吸附体内形成自然插层；具体的，经过高温氧化处理生产的SO2和NO2可大部分被吸附体吸附，并自发地在吸附体内形成自然插层，随后可与H2O在化合氧化后转化为SO4 2-和NO3 2-；
步骤4）微波照射在吸附体的金属材料上，吸附体中的金属材料与微波作用发生放电反应并形成高温等离子体（如附图3所示，在本实施例中，具体采用石墨烯作为吸附材料），高温等离子体在微波作用下对吸附有有害物质的吸附体进行微波等离子体裂解处理（如附图4所示），以使得有害物质中的有机物被还原生成碳材料和石墨烯材料；具体的，经步骤2）的氧化过程使环境形成无氧条件，利用微波对吸附有害物质的吸附体在无氧环境下进行微波等离子体裂解处理，使有害物质中的有机物还原生成碳材料和石墨烯材料。
一般来说，尾气中的有害物质主要可分为含碳类物质、含硫类物质、含氮类物质和其他类物质。含碳类物质包括但不限于：CO、CO2等气体，挥发性有机化合物VOCs，以及其他颗粒物；其中，VOCs包括烷烃类、芳烃类、烯烃类、脂类、醛类、酮类和其他有机化合物，颗粒物包括以碳黑为主的无机物颗粒、以二噁英类为主的有机物颗粒；含硫类物质为以SO2气体为主的含硫化合物，具体包括但不限于：H2S、SO2、SO3等气体，以及硫酸、亚硫酸盐、硫酸盐、有机硫气溶胶、硫醇类等；含氮类物质以NO和NO2为主，具体包括但不限于：NO、NO2、N2O3和N2O5等气体，以及铵盐等；其他类物质包括但不限于：重金属及重金属化合物等。
本发明的工作原理为：本发明利用高性能吸附体的优异吸附性能对尾气中的有害物质进行高效吸附，吸附体对微波的高效吸收形成的高温环境使有害物质中的含硫、含氮类物质氧化并耗氧形成无氧环境，再结合微波与金属放电产生的微波等离子体效应实现对有害物质的微波等离子体裂解处理，微波等离子体裂解处理使吸附的有害物质发生快速裂解，其中，含碳类物质可直接裂解还原生成碳材料和石墨烯材料，部分含硫、氮类物质在微波等离子体裂解中可转化为功能基团的形式与还原石墨烯材料相结合，还原碳材料和石墨烯材料可作为吸附材料，使吸附体的吸附材料持续增多，且膨胀程度持续增加，进而显著增强吸附体的吸附效率和吸附能力。故本方案使有害物质中的有机物被还原为碳材料和石墨烯材料，通过高效吸附+微波等离子体裂解处理实现对有害尾气的高效双重净化处理，进而基本实现尾气的零排放处理。
本发明能够实现对有害尾气的绿色、高效、快速清洁净化处理，大大降低甚至消除有害物质，实现零排放从而符合国家标准，同时能将尾气中的有害物质 “变废为宝”，直接转化为碳材料和石墨烯材料可作为吸附材料不断再生供有害尾气净化处理使用，甚至可作为原材料应用于其他领域；本发明能够广泛应用于各种生活、生产中产生有害尾气的净化处理，如生物质碳化、垃圾焚烧、白色污染处理等环保能源行业的尾气处理，橡胶轮胎、石油化工等生产制造行业的生产尾气处理，以及汽车尾气等生活尾气处理。
具体实施时，吸附体对尾气的吸附过程与微波等离子体裂解处理过程可同步进行，也可分步进行，优选采用先低温吸附再高温微波等离子体裂解的方式。微波等离子体裂解处理可采用连续或间歇的处理方式。
在本实施例中，还包括步骤5），将步骤4）中经过处理的尾气依次通入到Ca(OH)2浆液和氨水溶液中进行脱硫脱硝处理（如附图5所示）。
这样，步骤2）中氧化反应产生的氧化物SO2和NO2在步骤3）中将大部分被吸附在吸附体上形成自然插层，另外仍然有小部分未形成自然插层的SO2和NO2将最终在依通入到Ca(OH)2浆液和氨水溶液时进行脱硫脱硝处理，从而实现尾气的全部净化处理。
具体来说，本发明中经吸附过程和微波等离子体裂解处理后的尾气将进一步通入脱硫塔和脱硝塔分别与脱硫剂和脱硝剂反应，实现脱硫脱硝后处理，如图5所示。其中脱硫剂以Ca(OH)2为例，脱硝剂以氨水为例；实际使用时，脱硫剂还可选用：CaO、CaCO3、MgO、Mg(OH)2、氨水等，脱硝剂还可选用：尿素、纯氨等。
其中，在步骤2）的高温氧化处理中，有害尾气中含硫类物质在微波形成的高温环境被氧化，氧化后的产物主要以SO2气体为主，可能存在少量的SO3气体，并且吸附体能够实现对大部分SO2和SO3气体的吸附，增加脱硫后处理目的是完全除去经过吸附过程和微波等离子体裂解处理过程的尾气中可能混有的SO2和SO3气体，具体的脱硫后处理过程的原理图如图6，可表述为如下流程：
（1）吸收反应：SO2和SO3被Ca(OH)2浆液吸收并与其中的水反应；
SO2+H2O→H2SO3
SO3+H2O→H2SO4
（2）中和反应：吸收反应形成的H2SO3和H2SO4分别与Ca(OH)2反应；
Ca(OH)2+H2SO3→CaSO3+H2O
Ca(OH)2+H2SO4→CaSO4+H2O
（3）氧化反应：形成的不稳定的CaSO3与氧气反应，形成稳定的CaSO4。
CaSO3+O2→CaSO4
同时，在步骤2）的高温氧化处理中，有害尾气中含氮类物质在微波形成的高温环境被氧化，氧化后的产物主要以NO2气体为主，吸附体能够实现对大部分NO2气体的吸附，增加脱氮后处理目的是完全除去经过吸附过程和微波等离子体裂解处理过程的尾气中可能混有NO2气体。具体的脱硫后处理过程的原理图如图7，可表述为：
还原反应：NO2与氨水溶液中的NH3在催化加热的作用下反应。
NO2+NH3→N2+H2O
在本实施例中，还包括步骤6），将经过步骤5）处理后的清洁尾气通过气体压缩机进行压缩后再输送到气体储存单元中进行储存。
这样，将经过净化处理后的尾气进一步通过气体压缩机进行压缩后输送到气体储存单元进行储存，由此实现对净化处理后的气体进行收集、压缩、储存的目的，进而可对清洁尾气进行回收利用并实现零排放；净化后气体以CO2为主，采用先压缩后储存的方式，对CO2气体进行收集和储存，实现零排放处理。
在本实施例中，吸附体包括过滤材料层和吸附材料层，步骤1）中含有有害物质的尾气在通过吸附体时，尾气将依次经过过滤材料层和吸附材料层，如附图2所示。
这样，吸附体可实现对尾气中有害物质的高效吸附，实现对有害尾气的初次净化处理，其中过滤材料层主要用于放置吸附材料层，并可实现对有害尾气中较大部分的固体颗粒物的过滤，吸附材料层主要用于对有害尾气中以微颗粒物为主的固体物质，有害尾气中的气体物质及挥发物质的高效吸附。
在本实施例中，吸附材料层的比表面积为400-2000m2/g，且吸附材料层的孔隙率不小于40%，吸附材料层为石墨烯、膨胀石墨、活性炭、活性碳纤维、沸石、煤质吸附剂中的任意一种或多种。吸附体中添加可膨胀石墨和/或金属氧化物微纳米颗粒，在吸附体中添加的可膨胀石墨可以在微波插层作用下不断膨胀，从而显著增强吸附材料层的吸附能力，而吸附材料层中添加金属氧化物微纳米颗粒用于实现对吸附的含硫类物质的脱硫处理，具体的，金属氧化物微纳米颗粒可选用CaO、MgO、CuO、MnO等氧化物；过滤材料层上设有过滤孔，过滤材料层应采用耐高温材料制成，过滤材料层需要耐受住微波加热产生的高温，过滤孔的孔径不大于1mm，且过滤材料层为陶瓷滤网、金属滤网或复合材料滤网，在本具体实施例中，过滤材料层选用金属镍网，可与微波作用产生放电形成高温微波等离子体。
又如附图2所示，本发明的吸附过程示意图，以石墨烯作为吸附材料层，以金属镍网作为过滤材料层。
具体来说，生产/生活中产生的有害尾气通过吸附体中的金属镍网，通过微米级的孔径能够对有害尾气中的较大颗粒实现过滤，小颗粒物、有害气体等则通过金属镍网到达石墨烯吸附材料层；吸附材料层采用石墨烯，以保证良好的吸附效果，当有害物质通过石墨烯吸附材料层，利用石墨烯优异的吸附性能能够对其中的小颗粒物、有害气体、重金属及其化合物等有害物质实现高效吸附，实现对尾气初次净化的作用；同时石墨烯材料的优异吸附性能受环境温度的影响较小，因此能够实现非微波加热状态时的低温吸附，也可实现在微波加热状态时的高温吸附。
在本实施例中，吸附体内还设有催化材料，步骤4）中，高温等离子体在无氧环境下结合催化材料对吸附体上吸附的有害物质进行微波等离子体裂解处理。
这样，通过设置催化材料，催化材料的加入显著增强吸附体的导电性和吸附性。催化材料与吸附体可采用分层、混合或包覆的方式，并覆于过滤材料层上，催化材料可选用碳量子点、石墨烯量子点、氧化石墨烯量子点等，具体使用时，还可以在催化材料中可选择性添加金属材料，使其中的金属材料与微波作用产生放电作用，并在微波放电条件下形成高温微波等离子体，其中添加的金属材料可为颗粒状、棒状、丝状、块状的一种或多种混合，可选用Cu、Fe、Zn、Ni等。
又如附图4所示，本发明的微波等离子体裂解处理过程示意图以及微波等离子体产生示意图，以石墨烯作为吸附材料，以石墨烯量子点作为催化材料，并添加了金属颗粒。本发明的微波等离子体裂解过程参阅图4，具体过程可表述如下：
首先，微波作用于吸附体；此时的吸附体已经实现了对尾气中的有害物质的吸附，吸附体中包括石墨烯、石墨烯量子点、金属颗粒，以及有害物质。
其次，吸附体中的石墨烯及石墨烯量子点对作用于其的微波进行吸收，通过微波加热使吸附体温度迅速升高形成高温。
随后，微波高温作用与金属颗粒粒子产生微波放电，形成高温微波等离子体。
最后，吸附体有害物质在高温微波等离子体作用下发生高温裂解，其中的含碳类物质还原得到碳材料及石墨烯材料，含氮、硫类物质形成功能基团与石墨烯材料键合，还原所得的碳材料及石墨烯材料可用作吸附材料。
本发明的微波等离子体产生参阅附图3。微波分别与吸附体中的石墨烯、石墨烯量子点、金属颗粒相互作用，微波与吸附体中的石墨烯、石墨烯量子点作用，石墨烯、石墨烯量子点作为微波介质可对微波进行高效吸收，并快速加热形成高温；微波与金属颗粒作用时，金属颗粒作为微波导体产生放电作用；从而在高温条件下的微波放电可激励产生大量的微波高温等离子体。
如附图8和附图9所示，一种实现上述利用微波等离子体高效净化有害尾气的方法的装置，包括反应腔体1、吸附组件和微波组件，反应腔体1由金属外腔体101、保温层102和内腔管103组成，并在金属外腔体101上设有进气口1011、排气口1012、缓冲腔1013和尾气净化腔1014，保温层102和内腔管103在尾气净化腔1014内侧；其中，反应腔体1主要用于为有害尾气的有效集中碳化处理提供空间条件，反应腔体1的金属外腔体101由不锈钢材料制成、保温层102由硅酸铝材料制成、内腔管103由石英玻璃制成；进气口1011为有害尾气输入端，可直接与生物质碳化生产设备的尾气排出管相连通，并可通过调节气阀控制尾气的流速；排气口1012为净化处理后尾气的输出端，可直接排出空气，或优选连接气体压缩机对CO2气体进行统一的收集、储存；缓冲腔1013用于为输入的有害尾气进行缓冲处理，并可选择性放置催化材料；尾气净化腔1014用于进行有害尾气的清洁净化处理，尾气净化腔1014主要用于布置、安装吸附组件和微波组件，是实现有害尾气清洁处理的重要部位；内腔管103用于直接发生有害物质的微波等离子体高温裂解碳化，并可承受碳化过程中的高温，内腔管103的材料可选用但不限于石英或石英陶瓷或陶瓷，在本实施例中，内腔管103采用石英管，石英管外径为100-300mm，壁厚为5-10mm。
吸附组件包括沿内腔管103的竖向均匀分布的多个吸附体2，吸附体2包括过滤材料层201、吸附材料层202和催化材料层203，吸附材料层202和催化材料层203采用分层、混合或包覆的方式置于过滤材料层201上；吸附组件用于实现尾气中有害物质的有效吸附，吸附组件中的多个吸附体2采用多层布局的方式竖向均匀分布在内腔管103的内部，以增强吸附效率；过滤材料层201优选但不限于金属镍网；吸附材料层202优选但不限于石墨烯；催化材料层203优选但不限于石墨烯量子点；具体在本实施例中，吸附体2为由金属镍网的过滤材料层201、石墨烯材料的吸附材料层202、石墨烯量子点材料的催化材料层203组成的吸附-微波净化材料层，金属镍网安装固定在尾气净化腔中对应的内腔管103内，石墨烯材料和石墨烯量子点材料分别作为吸附材料和催化材料均匀混合并平铺在金属镍网上；其中，金属镍网主要实现通过气态物质，同时保证石墨烯材料和石墨烯量子点材料混合物的均匀布置，其孔径值选用20-500μm；石墨烯材料充分利用石墨烯材料的优异的吸附性能，主要用于对尾气中的有害物质的吸附；石墨烯量子点可催化并促进有害物质的微波等离子体高温裂解过程。
微波组件包括分布在反应腔体1外周侧的多个微波体3，微波体3的位置与吸附组件的位置相对应，微波体3包括微波源301和微波溃口302，在反应腔体1上与微波溃口302对应的位置开设有安装孔，微波溃口302连接在安装孔处，以使得微波源301发射的微波能够经微波溃口302照射在吸附组件上，且微波源301间不可完全正对布置，微波溃口302与微波源301相对应，在本具体实施例中，微波源301包括微波发生器、稳压器、二极管、电容等，微波功率选用0.5-1.5KW；微波溃口302主要实现透微波，阻烟尘的作用，保证微波导管不受污染，材料可选用但不限于云母片或石英玻璃。
在本实施例中，反应腔体1内还设有保温层102，保温层102设于尾气净化腔的内表面或内部，以对尾气净化腔内部进行保温隔热；保温层102用于实现对微波等离子裂解过程的尾气净化腔内部的保温隔热，可装尾气净化腔的表面或内部，优选装于尾气净化腔的内部，保温层102材料可选用但不限于硅酸铝或硅酸钙；具体的，保温层102置于尾气净化腔和内腔管103之间，采用厚度为100-200mm的硅酸铝材料实现对内部的保温以及外部腔体的隔热。
微波组件包括至少两个分布在反应腔体1外周侧的微波体3，且各微波体3在反应腔体1的外周侧均布布置并在竖向方向错位设置。具体的，包括2-4组非对称的微波源301+微波溃口302的组合，这样可以保证两两微波源301不产生相应抵消的作用。
具体实施时，上述装置可先后与脱硫塔、脱硝塔相连接实现对尾气的脱硫脱硝后处理，再与气体压缩机和气体储存器相连接实现对清洁尾气的储存，并可回收再利用。
如附图10所示，为本发明的利用微波等离子体高效净化有害尾气的装置的结构布局示意图。
具体来说，本发明主要包括反应腔体1、吸附组件和微波组件。反应腔体1主要由金属外腔体101、保温层102和内腔管103组成；其中，金属外腔体101作为装置的主体结构，其外表面用于安装微波组件；保温层102用于实现对内部的内腔管103的保温，以及外部的金属外腔体101的隔热；内腔管103作为净化处理的关键部分，其内部用于安装吸附组件，吸附组件由过滤材料层201、吸附材料层202和催化材料层203组成，呈多层结构布局分布并安装于内腔管103内部；其中，过滤材料层201用于实现对有害尾气中的大颗粒物的初步过滤，并作为吸附材料层202和催化材料层203放置的支撑；吸附材料层202用于实现对有害尾气中的小颗粒物、有害气体等的高效吸附；催化材料层203用于实现对微波等离子体裂解过程的催化作用；有害尾气通过过滤材料层201以及吸附材料层202，对其中的包括颗粒物、有害气体、重金属及其化合物等进行高效吸附，同时经过微波等离子体裂解处理后的清洁尾气可进行统一的收集、压缩、储存，实现零排放。微波组件有微波源301和微波溃口302组成，呈错位非对称布局分布并安装于金属外腔体101的外部；其中，微波源301为装置的微波等离子体处理提供微波；微波溃口302为装置的微波透入的窗口；微波源301发射的微波透过微波溃口（以及保温层102、内腔管103）作用于吸附材料层202和催化材料层203进行微波等离子体高温裂解；装置可连接脱硫塔和脱硝塔进行脱硫脱硝处理，具体来说，有害尾气在经过吸附过程和微波等离子体裂解过程后，可进一步与脱硫剂和脱硝剂反应实现脱硫脱硝处理，脱硫剂可选： CaO、CaCO3、Ca(OH)2、MgO、Mg (OH)2、氨水等，脱硝剂可选：尿素、氨水、纯氨等，装置可在脱硫塔和脱硝塔后与气体压缩机和气体储存罐，用于实现对清洁尾气的收集、压缩及储存。
本发明装置实施例实物图如附图11所示。具体的，装置的尾气净化腔1014为尺寸426mm×1200mm（厚度6mm）的304不锈钢腔体，内部设有的内腔管103为尺寸φ210×1200mm（厚度5mm）的石英管用于装净化有害尾气所需的吸附体，在不锈钢腔体和石英管的保温层102为硅酸铝棉并进行了充分的填充；在尾气净化腔体1014外表面设有12个安装用石英片微波溃口302，在高度方向等间距均分布4层，每层呈120°夹角均匀分布3个，根据实际需要每层安装1个微波源301，未安装微波源301的微波溃口302位置采用相应的不锈钢板进行密封，并在所有微波溃口302位置用铝箔进行密封实现对微波的屏蔽，放置微波泄露。特别地，所述实施例根据实际微波等离子体裂解的效果可对微波源的数量进行相应的增减；装置的下端设进气口1011和缓冲腔1013，进气口1011可直接与待处理尾气的装置相连接；装置的上端设排气口1012，排气口1012可设为开放式、阈值泄压式或连接其他后处理装置。
如附图12所示，本实施例以多孔泡沫镍网为过滤材料，以石墨烯为吸附材料，以石墨烯量子点为催化材料，并添加了CaO微米颗粒，制备一种微波碳化高效净化处理装置用吸附层。具体制备步骤如下：
（1）准备厚度为1-2mm的多孔泡沫镍网，并裁剪为φ200mm的圆形片状，备用。
（2）准备石墨烯粉末1000-1500mg，石墨烯量子点50-80mg，CaO微颗粒100-150mg，并置于行星球磨机进行充分均匀的混合，备用。
（3）将准备的混合粉末材料均匀平铺在圆形片状多孔泡沫镍表面，通过压制设备将混合石墨烯粉末压覆在多孔泡沫镍表面，控制压制力≤300N。
将采用上述方法制备的吸附层样件放置于实施例1装置中的石英管内，利用微波对有害尾气进行净化处理测试。并分别取小片未用于微波尾气净化处理测试和用于微波尾气净化处理测试的样品分别进行拉曼光谱测试，如图11所示。
经过微波尾气净化处理，微波等离子体裂解可将的吸附层中吸附的有机物颗粒还原成碳材料和石墨烯材料，同时利用微波产生的高温能够将吸附层中吸附的含硫、氮类物质分别氧化为SO2和NO2，同时尾气中可能混合的未被完全吸附的SO2和NO2可通过后续的脱硫脱硝工艺进行处理。通过测试的拉曼光谱图可以看出，用于微波尾气净化处理测试后的吸附层材料的拉曼光谱图无明显的差异，均存在明显的D峰、G峰、2D峰，在微波净化处理将含碳有害物质还原成石墨烯的同时，吸附层石墨烯的性能未受微波净化处理的影响。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种利用微波等离子体高效净化有害尾气的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1）制备含有金属材料的吸附体；将含有有害物质的尾气通过所述吸附体，以使得所述吸附体对尾气中的有害物质进行吸附；吸附体内还设有催化材料，催化材料中添加有金属材料；吸附体包括石墨烯、膨胀石墨、活性炭、活性碳纤维中的任意一种或多种；
步骤2）利用微波照射在步骤1）的所述吸附体上，所述吸附体吸收微波并形成高温，所述吸附体上吸附的有害物质在高温环境下发生氧化反应，并耗氧形成无氧环境；
步骤3）所述吸附体上吸附的有害物质在高温环境下发生氧化反应生成的氧化物持续被所述吸附体吸附，并在所述吸附体内形成自然插层；
步骤4）微波照射在所述吸附体的金属材料上，所述吸附体中的金属材料与微波作用发生放电反应并形成高温等离子体，高温等离子体在微波作用下对吸附有有害物质的所述吸附体进行微波等离子体裂解处理，以使得有害物质中的有机物被还原生成碳材料和石墨烯材料。
2.根据权利要求1所述的利用微波等离子体高效净化有害尾气的方法，其特征在于，还包括步骤5），将步骤4）中经过处理的尾气依次通入到Ca(OH)2浆液和氨水溶液中进行脱硫脱硝处理。
3.根据权利要求2所述的利用微波等离子体高效净化有害尾气的方法，其特征在于，还包括步骤6），将经过步骤5）处理后的清洁尾气通过气体压缩机进行压缩后再输送到气体储存单元中进行储存。
4.根据权利要求1所述的利用微波等离子体高效净化有害尾气的方法，其特征在于，所述吸附体包括过滤材料层和吸附材料层，步骤1）中含有有害物质的尾气在通过所述吸附体时，尾气将依次经过所述过滤材料层和所述吸附材料层。
5.根据权利要求4所述的利用微波等离子体高效净化有害尾气的方法，其特征在于，所述吸附材料层的比表面积为400-2000m2/g，且所述吸附材料层的孔隙率不小于40%。
6.根据权利要求4所述的利用微波等离子体高效净化有害尾气的方法，其特征在于，所述吸附体中添加可膨胀石墨和/或金属氧化物微纳米颗粒。
7.根据权利要求4所述的利用微波等离子体高效净化有害尾气的方法，其特征在于，所述过滤材料层上设有过滤孔，所述过滤孔的孔径不大于1mm，且所述过滤材料层为陶瓷滤网、金属滤网或复合材料滤网。
8.一种实现如权利要求1所述的利用微波等离子体高效净化有害尾气的方法的装置，其特征在于，包括反应腔体、吸附组件和微波组件，所述反应腔体上设有进气口、排气口、缓冲腔和尾气净化腔，在所述尾气净化腔的内侧还设有内腔管；
所述吸附组件包括沿所述内腔管的竖向均匀分布的多个吸附体，所述吸附体包括过滤材料层、吸附材料层和催化材料层，所述吸附材料层和所述催化材料层采用分层、混合或包覆的方式置于所述过滤材料层上；
所述微波组件包括分布在所述反应腔体外周侧的多个微波体，所述微波体的位置与所述吸附组件的位置相对应，所述微波体包括微波源和微波溃口，在所述反应腔体上与所述微波溃口对应的位置开设有安装孔，所述微波溃口连接在所述安装孔处，以使得所述微波源发射的微波能够经所述微波溃口照射在所述吸附组件上。
9.根据权利要求8所述的利用微波等离子体高效净化有害尾气的装置，其特征在于，所述反应腔体内还设有保温层，所述保温层设于所述尾气净化腔的内表面或内部，以对所述尾气净化腔内部进行保温隔热；
所述微波组件包括至少两个分布在所述反应腔体外周侧的微波体，且各所述微波体在所述反应腔体的外周侧均布布置并在竖向方向错位设置。
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