CN1657142A - 一种空气净化工艺 - Google Patents
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Abstract
一种空气净化工艺，属于空气净化技术领域。为了克服真空紫外光催化技术产生二次污染的缺点，并提高空气中污染物的去除效率，本发明提出了一种新的空气净化工艺，包括如下步骤：首先，让被污染的空气通过过滤层，以去除其中的颗粒物；然后，让过滤后的空气通过内壁涂有光催化剂的光解－光催化室，初步降解其中的污染物；最后，让上述经过初步净化的空气通过吸附－分解臭氧－催化氧化多功能床层，进一步脱除污染物，并分解其中的臭氧，达到深度净化空气的目的。该工艺能克服真空紫外光催化装置产生的二次污染问题，利用臭氧与吸附的污染物反应，在消除部分臭氧的同时，延长床层的使用寿命，提高了污染物的去除效率，具有重要的实际应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种污染空气的净化工艺，用于消除空气中污染物，特别是挥发性有机污染物和一氧化碳等，属于空气净化技术领域。
背景技术
室内空气中存在多种化学污染物，其来源主要有油漆、胶粘剂、地毯、织物、化妆品、防蛀剂、空气清新剂、干洗的衣物等，比较常见且危害较大的有人造板材中挥发出的甲醛、家具中挥发出的油漆溶剂甲苯、地垫中挥发的氯乙烯等。目前，室内空气中已检出350种不同的挥发性有机化合物，种类有脂肪烃、卤代烃、芳香烃、醇、醛、酮、酯等，其中主要的污染物为甲醛、苯、甲苯、氟里昂类化合物、氯仿等
一些特殊的室内环境，如潜艇、太空舱、大型机房、人防工事中，与外界的通风受到严格限制或根本不可能通风，内部机器运行、人员生活等产生的污染物会逐渐积累，例如，对潜艇舱室空气进行分析发现了近400种有机污染物，包括多种类别，如脂肪烃、芳香烃、萘及其同系物、茚及其同系物、卤代烃、含氮化合物、醇类、醛类、酮类、有机酸、酯类、醚类等种，而且随检测技术的发展，污染物的种类不断增加。潜艇空气中还含有小分子可燃性气体，如氢气、甲烷、乙烯等。
室内化学污染物对人体健康产生危害，即使低浓度的VOCs亦会导致急慢性病的发生，苯、甲醛、三氯乙烷、三氯乙烯、多氯联苯(PCB)已被确认为致癌物。潜艇内部的污染物如果不进行净化，会严重影响其内部工作人员的身体健康，影响艇员的战斗力，氢气浓度过高会引起爆炸，危害潜艇的安全。
吸附法是目前广泛应用的室内空气净化方法，活性炭类吸附剂具有广谱、高效、吸附容量大的特点，应用于居室、办公室等内部的空气净化，也应用于芯片车间、潜艇工作舱、航天器座舱等特殊的室内环境的空气净化。吸附法的主要缺点是不能彻底消除污染物，吸附饱和后即失效，需要定期更换吸附材料。吸附法不能除去甲烷、乙烯、一氧化碳、氢气等小分子污染物，对甲醛的去除效果也很差。
对于甲烷、乙烯、一氧化碳、氢气等小分子污染物，潜艇、长期航天器(空间站)等特殊环境中都采用催化燃烧技术进行控制，催化燃烧床的工作温度高，风量大，对室内环境影响较大，需要热交换设备对排出气降温，热交换设备占用宝贵的舱室内部空间。氟里昂类化合物分解产生氯化氢、氟化氢等腐蚀性气体，对舱室污染严重，需要附加吸收装置。
在清华大学申请的发明专利(申请号：03149785.3)中，提到了一种真空紫外光催化净化空气和水的装置，光源能发出253.7nm紫外线及少量的185nm紫外线，其中253.7nm的紫外线用于光催化消除污染物。185nm紫外线分解空气中的水蒸气产生强氧化性的羟基自由基，羟基自由基可以氧化分解绝大多数有机污染物，并能把一氧化碳氧化为二氧化碳，氢气氧化为水；185nm紫外线还能分解空气中的氧气从而产生臭氧，进一步提高光催化反应的效率；185nm紫外线还可以直接使污染物光降解。因此，在适当的条件下，可以取代吸附与催化氧化的作用，而且常温常压下进行，比催化氧化有明显的优势。
但是，真空紫外光催化技术也有其不足之处：它对浓度较高的有机污染物的去除效率明显低于吸附法；有些有机污染物虽然降解了，但并没有彻底分解为水和二氧化碳等无机物质，而是形成半降解产物，这类产物的毒性可能比污染物本身更大；从真空紫外光催化装置中排出的空气中臭氧浓度可能超标；氟里昂类化合物或卤代烃光解后产生氟化氢、光气、氯气等毒性很强的物质，如氯乙烯在真空紫外灯的照射下几秒钟后就能产生微量氯气。
发明内容
为了克服真空紫外光催化技术产生二次污染的缺点，并提高空气中污染物的去除效率，本发明提出了一种新的空气净化工艺，其特征在于，该工艺依次包括如下步骤：
首先，让被污染的空气通过过滤层，以去除其中的颗粒物；
然后，让过滤后的空气通过内壁涂有光催化剂的光解—光催化室，初步降解其中的污染物；
最后，让上述经过初步净化的空气通过吸附—分解臭氧—催化氧化多功能床层，进一步脱除污染物，并分解其中的臭氧，达到深度净化空气的目的。
所述的多功能床层装填有负载二氧化锰与下述物质中的一种或多种的活性炭类吸附剂，
1)贵金属铂或钯，
2)钴、铬、铜、镍元素的氧化物，
3)碳酸锂、碳酸钠、碳酸钾、氢氧化锂、氢氧化钠或氢氧化钾。
本发明中所述活性炭类吸附剂包括煤质活性炭、木质活性炭、果壳活性炭或活性炭纤维。
本发明工艺结构简单，空气中污染物的去除是在常温常压下进行的，不需要复杂的换热设备；可以同时脱除挥发性有机污染物和一氧化碳等，兼具吸附和催化氧化的优点。该工艺能克服真空紫外光催化装置产生的二次污染问题，利用臭氧与吸附的污染物反应，在消除部分臭氧的同时，延长床层的使用寿命，提高了污染物的去除效率，具有重要的实际应用价值。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
图2为去除甲苯的实验效果图。
图3为去除臭氧的实验效果图。
具体实施方式
下面结合附图来进一步说明本发明。
如图1所示，本发明所述空气净化工艺，依次包括如下步骤：
首先，让被污染的空气通过过滤层10，以去除其中的颗粒物；过滤层10可以选用无纺布、HEPA等常用的过滤材料；
然后，让过滤后的空气通过光解—光催化室20，初步降解其中的污染物；光解—光催化室20中设有低压汞灯30，它的进风口和出风口都覆盖有负载了光催化剂的金属丝网，内壁涂有光催化剂；
最后，让上述经过初步净化的空气通过吸附—分解臭氧—催化氧化多功能床层40，进一步脱除污染物，并分解其中的臭氧，达到深度净化空气的目的；
所述的多功能床层装填有负载二氧化锰与下述物质中的一种或多种的活性炭类吸附剂，
1)贵金属铂或钯，
2)钴、铬、铜、镍元素的氧化物，
3)碳酸锂、碳酸钠、碳酸钾、氢氧化锂、氢氧化钠或氢氧化钾。
本发明中所述活性炭类吸附剂包括煤质活性炭、木质活性炭、果壳活性炭或活性炭纤维。
多功能床层具有以下3种功能：(1)吸附功能。活性炭类吸附剂对有机物的脱除效率高，可以脱除气流中未被降解污染物，对氯气也有很好的脱除作用，为了强化对氟化氢等酸性气体的脱除作用，活性炭类吸附剂可负载有氢氧化锂，氢氧化钠，氢氧化钾，碳酸锂，碳酸钠，碳酸钾等碱性物质中的一种或多种。(2)分解臭氧功能。活性炭对臭氧有分解作用，为了强化这种作用，使活性炭负载了活性二氧化锰。(3)催化氧化功能。以臭氧为氧化剂，在催化剂的作用下，氧化分解被床层吸附的有机污染物，达到分解臭氧和降解污染物的双重目的，催化剂为负载的贵金属钯或铂，或氧化铜和氧化锰的混晶，或其它氧化物，如钴、铬、镍的氧化物等。多功能床层中的填料可以分层装填，使气流先经过浸渍了碱性物质的吸附剂，以避免酸性气体对催化剂的破坏。
活性炭类吸附剂负载铂或钯、碳酸锂、碳酸钠、碳酸钾、氢氧化锂、氢氧化钠或氢氧化钾中的一种或多种的方法可采用现有技术。下面主要说明一下活性炭类吸附剂负载二氧化锰及钴、铬、铜、镍元素的氧化物活性组分的方法(以氧化铜为例)：
用去离子水配制锰离子浓度为0.15M的醋酸锰溶液1000ml，全部喷涂于100g活性炭纤维毡上，于常温下晾干，80-100摄氏度下烘干2小时，然后浸入2000ml 4％的氨水中，约10min后取出，沥去多余的氨水溶液，常温下晾干，然后于80-100摄氏度烘干2小时后备用。然后，用2000ml的3％双氧水浸泡负载了锰的活性炭纤维毡10分钟左右，再用去离子水配制铜离子浓度为0.05M的硝酸铜溶液1000ml，全部喷涂于已负载了锰的活性炭纤维毡上，于常温下晾干，80-100摄氏度下烘干2小时，然后浸入2000ml 0.5％的碳酸钠溶液中，约10min后取出，沥去多余的碳酸钠溶液，常温下晾干，80-100摄氏度下烘干2小时，然后用去离子水淋洗至接近中性，常温下晾干，氮气流保护下于400摄氏度焙烧2小时，得到负载了二氧化锰和氧化铜的活性炭类吸附剂。
利用本发明所述工艺降解空气中的甲苯的实验如下：
让含有甲苯的污染空气(流量为15L/min，甲苯浓度7.6mg/m3，气流的相对湿度8％，温度25℃)通过无纺布过滤层，然后通入一个直径64mm、高500mm的圆柱型的光解—光催化室，在光解—光催化室的中心放置一支10W的低压汞灯，紧贴光解—光催化室的内壁放置一层负载二氧化钛光催化剂18目不锈钢网。经过初步净化的空气中甲苯的浓度如图2中的变化曲线1。
上述经过初步净化的空气通入吸附—分解臭氧—催化氧化多功能床层，床层中装填有负载了二氧化锰和氧化铜混晶的活性炭纤维毡，床层厚度约0.6cm，直径4cm。尾气中甲苯的浓度如图2中的变化曲线2。
其它实验条件相同，如果上述经过初步净化的空气通入未负载催化剂的活性炭纤维床层，尾气中甲苯的浓度如图2中的变化曲线3。
由图2可知，含有甲苯的空气经过光解—光催化室后，甲苯浓度降为6mg/m3，去除率为20％左右，再经过活性炭纤维床层，1300min后吸附达到饱和，甲苯浓度也为6mg/m3，说明活性炭纤维床层只具有吸附作用，吸附饱和后失效。而光解—光催化室后尾气通入多功能床层，2000min后吸附达到饱和，尾气中甲苯浓度为4.9mg/m3，去除率为35％，吸附饱和后仍有去除甲苯的作用。用描述床层吸附的Wheeler计算活性炭纤维床层的饱和吸附容量为180.6mg/g(甲苯/吸附剂)，而多功能床层的饱和吸附容量为255.6mg/g，比活性炭纤维床层多41.5％。
如图3中曲线4所示，含有甲苯的空气经过光解—光催化室后，臭氧浓度为20mg/m3左右。如果用活性炭纤维床层对臭氧进行脱除，1300min后吸附达到饱和，尾气中臭氧浓度为17.6mg/m3，如图3中曲线5所示，说明吸附饱和后仍有脱除臭氧的能力。如果用多功能床层对臭氧进行脱除，1800min后吸附达到饱和，尾气中臭氧浓度为16.8mg/m3，如如图3中曲线6所示。用Wheeler计算活性炭纤维床层的饱和吸附容量为527.6mg/g(臭氧/吸附剂)，而多功能床层的饱和吸附容量为763.0mg/g。
如果空气中不含有甲苯，即没有甲苯的竞争吸附，则多功能床层对臭氧的分解能力可维持不变(臭氧浓度在700min处上升是因为湿度增加到了36％)，如图3中曲线7所示。
在实验中，考虑到时间问题，多功能床层的厚度只用了0.6cm。在实际应用中，可增加多功能床层的厚度，以达到更好的空气净化效果。
Claims (2)
1、一种空气净化工艺，其特征在于，该工艺依次包括如下步骤：
首先，让被污染的空气通过过滤层，以去除其中的颗粒物；
然后，让过滤后的空气通过内壁涂有光催化剂的光解-光催化室，初步降解其中的污染物；
最后，让上述经过初步净化的空气通过吸附-分解臭氧-催化氧化多功能床层，进一步脱除污染物，并分解其中的臭氧，达到深度净化空气的目的，所述的多功能床层装填有负载二氧化锰与下述物质中的一种或多种的活性炭类吸附剂，
1)贵金属铂或钯，
2)钴、铬、铜、镍元素的氧化物，
3)碳酸锂、碳酸钠、碳酸钾、氢氧化锂、氢氧化钠或氢氧化钾。
2、根据权利要求1所述的空气净化工艺，其特征在于：所述活性炭类吸附剂包括煤质活性炭、木质活性炭、果壳活性炭或活性炭纤维。
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