CN103599696B - 外加直流电压催化降解气相有机污染物的方法及反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及催化降解技术，旨在提供一种外加直流电压催化降解气相有机污染物的方法及反应器。该反应器主体是铝质的管式反应器，其两端分设聚四氟乙烯套；聚四氟乙烯套的外侧各接有聚四氟乙烯塞，两个聚四氟乙烯塞上分别设进气管和出气管；一根铜电极贯穿管式反应器、两端的聚四氟乙烯套和聚四氟乙烯塞，且与管式反应器的轴线重合；一个负电极与管式反应器相接，负电极和铜电极分别接至直流电源的负极和正极。本发明能够解决催化剂易受SO2、Cl-等影响而导致催化活性降低的问题，提高催化剂的稳定性和实时活性。本发明旨在反应器内部形成电场，因此加入反应***的电流为零，即没有造成额外的能耗。
Description
技术领域
本发明涉及催化降解技术，特别是涉及一种外加直流电压催化降解气相有机污染物的方法及反应器。
背景技术
近年来，环境立法对大气排放水平进行了严格的限制，特别地，有机物污染物的排放引起了广泛的关注。工业“三废”的排放，农药、化肥的过量使用，汽车尾气的排放，城市采暖季节燃料燃烧等，导致有机污染物在环境中广泛分布。土壤、水体中的有机污染物能够在植物体中富集并沿着食物链传播，最终在人体内积累；大气中的有机污染物可以通过呼吸***直接进入人体，引起过敏、先天缺陷、癌症等疾病，并使免疫***和生殖器官受损。因此，如何控制有机污染物的产生和排放已成为亟待解决的问题。
目前，有机污染物排放的控制技术主要有吸附技术、生物降解技术、催化降解技术以及等离子体技术等。吸附技术只能实现污染物的转移，常作为一种预处理手段与其它处理方法联合使用。催化降解技术因能实现有机污染物的彻底降解，生成CO2、H2O、HCl等无污染产物而成为最有前景的技术之一。但是，目前催化降解技术研究及应用的催化剂普遍存在易失活的缺陷，钠、钾等碱性金属沉积、硫酸铵和飞灰造成的催化剂堵塞、烧结导致的表面积减少、催化剂中毒等都是导致催化剂失活的原因。其中，引起催化剂中毒的SO2、氯离子等粒子得到了广泛的关注。
催化剂易失活导致催化剂使用寿命偏低，而且催化剂的更换也造成人力物力的浪费。因此，提高催化剂稳定性以保持催化剂的实时活性十分必要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有的技术中的不足，提供一种外加直流电压催化降解气相有机污染物的方法及反应器。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种外加直流电压催化降解气相有机污染物的反应器，包括反应器主体；该反应器主体是铝质的管式反应器，其两端分设聚四氟乙烯套；聚四氟乙烯套的外侧各接有聚四氟乙烯塞，两个聚四氟乙烯塞上分别设进气管和出气管；一根铜电极贯穿管式反应器、两端的聚四氟乙烯套和聚四氟乙烯塞，且与管式反应器的轴线重合；一个负电极与管式反应器相接，负电极和铜电极分别接至直流电源的负极和正极。
本发明中，所述负电极接在出气管一侧的管式反应器的端部，并从该侧的聚四氟乙烯套上引出。
本发明中，所述聚四氟乙烯套与聚四氟乙烯塞通过法兰连接。
本发明中，所述管式反应器的内壁上镀有具备导电能力的导体催化剂层或半导体催化剂层。
本发明还进一步提供了基于前述反应器实现外加直流电压催化降解气相有机污染物的方法，包括以下步骤：
（1）在所述管式反应器的内表面镀上一层具备导电能力的导体催化剂或半导体催化剂；
（2）将直流稳压电源的导线分别接至所述负电极和铜电极，在0-1000V的工作电压范围内调整直流稳压电源，使管式反应器和铜电极之间形成与铜电极长度方向相互垂直的向外辐射的电场；
（3）将焚烧炉尾气处理装置排出的尾气引入所述进气管，并从出气管排出；通过外加直流电压的方式，使导体催化剂或半导体催化剂带负电，对气相中的有机污染物进行催化降解。
本发明中，所述具备导电能力的导体催化剂或半导体催化剂是：MnOx/TiO2-纳米碳管、VOx/TiO2、VOx-WOx/TiO2或VOx-MoOx/TiO2中的任意一种。
本发明的实现原理是：
由于催化剂是均匀镀在铝管内表面，从而间接使催化剂带负电；电源正极接位于反应器轴部的铜电极（正电极），使反应器内部形成沿半径向外辐射的电场。含有有机污染物的气流以一定流速由反应器一端通入。催化剂可吸附降解气流中的有机污染物。一方面，外加电压可以提高活性金属在催化剂表面的分散度，促进催化剂薄膜表面电子的定向移动，从而提高催化剂的活性。另一方面，反应器内部形成的由轴沿半径向外辐射的电场，使负离子（如Cl-，O2 -）受到指向轴的电场力，削弱反应过程中产生的负离子与催化剂之间的相互作用，使其离开催化剂表面。这不仅可以减少氯离子在催化剂表面的附着，缓解中毒现象，保持催化剂的实时活性，而且可同时促进催化反应过程中生成的具有强氧化性的O2 -和·OH等自由基团进入空间，增加目标有机污染物分子与O2 -和·OH等基团在反应器空间内的碰撞几率，提高降解效率。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明能够解决催化剂易受SO2、Cl-等影响而导致催化活性降低的问题，提高催化剂的稳定性和实时活性。
2、本发明只是在反应器内部形成电场，因此加入反应***的电流为零，即没有造成额外的能耗。
附图说明
图1是外加直流电压催化反应器结构示意图。
图中，1-进气管，2-铜电极，3-聚四氟乙烯塞，4-聚四氟乙烯套，5-管式反应器，6-石英窗，7-负电极，8-出气管。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细表述。
如图1所示，外加直流电压催化降解气相有机污染物的反应器的主体是铝质的管式反应器5，其内壁上镀有具备导电能力的导体催化剂层或半导体催化剂层。管式反应器5设有用于观测的石英窗6，其两端分设聚四氟乙烯套4。可根据接入的有机污染物处理装置的需要，将聚四氟乙烯套4取下，改用法兰或三通阀等连接件与处理装置相接。聚四氟乙烯套4的外侧各接有聚四氟乙烯塞3，聚四氟乙烯套4与聚四氟乙烯塞3通过法兰连接。两个聚四氟乙烯塞3上分别设进气管1和出气管8。一根铜电极2贯穿管式反应器5、两端的聚四氟乙烯套4和聚四氟乙烯塞3，且铜电极2与管式反应器5的轴线重合；一个负电极7接在出气管8一侧的管式反应器5的端部，并从该侧的聚四氟乙烯套7上引出。负电极7和铜电极2分别接至直流电源的负极和正极，该直流电源是连续可调的直流稳压电源，工作电压0-1000V。
本发明中，实现气相有机污染物催化降解的方法是：在铝制管式反应器的内壁上镀上一层具备导电能力的导体催化剂或半导体催化剂；将铝制管式反应器5的正、负极分别与直流稳压电源的正、负极相接，使反应器内形成由轴沿半径向外辐射的电场；将直流稳压电源调整为工作电压；将进气管接至焚烧炉尾气处理装置，对焚烧炉尾气中的气相有机污染物进行催化降解。
具备导电能力的导体催化剂或半导体催化剂，可使用溶胶凝胶法制备的MnOx/TiO2-纳米碳管催化剂。还可以选择VOx/TiO2催化剂、VOx-WOx/TiO2催化剂、VOx-MoOx/TiO2等，均为商业化产品，可自由购买。例如，VOx-WOx/TiO2催化剂可选用三龙催化剂有限公司的产品。当然，使用者也可根据需要进行自制，其制备方法因属催化剂制备领域常规手段，不属于本发明所涉内容，故不再赘述。
在实际生产装置的具体应用中，可以通过以下方式实现：
首先，用超声波清洗机清洗铝制管式反应器5及铜电极2，晾干，防止附着在反应器表面的灰尘等杂物对催化剂镀膜产生影响。
第二步，将催化剂均匀镀在反应器内表面。
第三步，将铜电极2安装到反应器上。
第四步，将直流稳压电源正、负极分别接到安装好的铝制管式反应器5和铜电极2上，并将直流稳压电源调整为工作电压。
第五步，将进气管1接至尾气处理装置，对气相有机污染物进行催化降解。
催化剂可以吸附降解气相有机污染物，并且由于外加电压的存在，催化剂能够保持较高的实时活性。此外，由于电源加在反应***的电流为零，所以没有造成额外的能耗。外加直流电压后，有机污染物的脱除效率可提高超过10%，催化剂活性改善效果显著。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (4)
1.外加直流电压催化降解气相有机污染物的反应器，包括反应器主体；其特征在于，该反应器主体是铝质的管式反应器，其两端分设聚四氟乙烯套；聚四氟乙烯套的外侧各接有聚四氟乙烯塞，两个聚四氟乙烯塞上分别设进气管和出气管；一根铜电极贯穿管式反应器、两端的聚四氟乙烯套和聚四氟乙烯塞，且与管式反应器的轴线重合；一个负电极与管式反应器相接，负电极和铜电极分别接至直流电源的负极和正极；
所述负电极接在出气管一侧的管式反应器的端部，并从该侧的聚四氟乙烯套上引出；所述管式反应器的内壁上镀有具备导电能力的导体催化剂层或半导体催化剂层。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述聚四氟乙烯套与聚四氟乙烯塞通过法兰连接。
3.一种基于权利要求1所述反应器实现外加直流电压催化降解气相有机污染物的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将直流稳压电源的导线分别接至所述负电极和铜电极，在0-1000V的工作电压范围内调整直流稳压电源，使管式反应器和铜电极之间形成与铜电极长度方向相互垂直的向外辐射的电场；
（2）将焚烧炉尾气处理装置排出的尾气引入所述进气管，并从出气管排出；通过外加直流电压的方式，使导体催化剂或半导体催化剂带负电，对气相中的有机污染物进行催化降解。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述具备导电能力的导体催化剂或半导体催化剂是：MnOx/TiO2-纳米碳管、VOx/TiO2、VOx-WOx/TiO2或VOx-MoOx/TiO2中的任意一种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |