CN112870910A - 一种voc气体电吸附-催化降解装置及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于室内气体净化领域，具体涉及一种VOC气体电吸附‑催化降解装置及工艺。所述装置包括风机，用于营造真空度，向装置内引入VOC气体；主反应器，包含有功能炭材料、阳极和阴极，三者配合形成VOC吸附‑电催化反应区，VOC气体通过在该区域内发生吸附‑电催化反应进行降解；加湿器，用于提供水蒸汽，水蒸汽作为电催化过程的导电介质。该装置能使VOC气体在短时间内被吸附和催化降解，达到高效降解VOC气体的效果，而且，通过加湿器营造的水蒸汽为电催化过程提供了良好的介质环境，无需添加大量的电解液，避免了电解液的频繁更换。

Description

一种VOC气体电吸附-催化降解装置及工艺
技术领域
本发明属于室内气体净化领域，具体涉及一种VOC气体电吸附-催化降解装置及工艺。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
VOC气体是指挥发性有机气体分子，是工业和家庭生活中常见的空气污染物。常见的VOC气体如甲醛、甲苯、丙二醇等会对人体产生危害，空气中VOC气体浓度较高时，会引发鼻喉刺激、头痛、晕厥甚至休克等症状，长期处于这种环境中，可能会导致癌症、白血病等恶性疾病。
为应对VOC气体排放引起的空气污染问题，我国先后制定了《民用建筑工程室内环境污染控制规范》(GB 50325-2001)、《室内空气质量卫生规范》(卫法监发[2001]255号)、《室内空气质量标准》(GB/T 18883-2002)等相关标准和规范，从立法角度解决室内污染问题。因此，治理VOC气体以控制室内污染对人类居住环境改善有重要意义，也是环境治理研究的一个重要方向。
控制VOC气体污染的方式主要分为两种，分别是主动式和被动式。被动式是指使用活性炭、绿色植物等具有吸收VOC气体能力的材料减轻室内污染，这这种方式处理效率低下，有效作用范围小；相对地，主动式是指利用空气净化器、具有净化功能的空调等产品对较大空间进行高效、洁净的处理。主动式处理VOC气体的方法主要分为吸附和降解两个过程。VOC气体分子被表面具有特殊官能团的吸附剂固定。
随着各类高效催化剂的问世，吸附降解技术逐渐代替传统的物理吸附法，成为处理VOC气体的新思路。催化VOC气体降解的方法有很多，包括光催化法、低温等离子体法、电催化法等，如现有技术公开了一种吸附过滤双功能电催化去除甲醛的空气净化器，在电催化下进行甲醛的吸附，虽然能将空气中的甲醛有效富集，并能通过电催化氧化去除，达到空气的高效净化，但发明人发现，该类型装置在低VOC气体浓度环境下处理效果并不理想，而且，存在电解液环境，随着净化时间的延长，需要频繁更换电解液，为使用带来了不便。可见，目前的催化降解技术降解效果有限，应用起来也不方便，难以广泛推广至普通家庭。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供一种VOC气体电吸附-催化降解装置及工艺，该装置以基于吸附反应和电催化反应的螺旋卷式固定吸附床作为反应器主体，通过将功能炭电极材料搭载在钛电极上，能使VOC气体在短时间内被吸附和催化降解，达到高效捕捉并降解VOC气体分子的效果，而且，本发明通过加湿器营造的水蒸汽为电催化过程提供了良好的介质环境，无需添加大量的电解液，不仅移动运输过程更加方便，实际应用过程也避免了电解液的频繁更换。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种VOC气体电吸附-催化降解装置，包括：
风机，用于营造真空度，向装置内引入VOC气体；
主反应器，包含有功能炭材料、阳极和阴极，三者配合形成VOC吸附-电催化反应区，VOC气体通过在该区域内发生吸附-电催化反应进行降解；
加湿器，用于提供水蒸汽，水蒸汽作为电催化过程的导电介质。
本发明第二方面提供一种采用上述装置进行VOC气体电吸附-催化降解的工艺，具体为：
打开风机将被VOC污染的空气引入装置内，被VOC污染的空气携带加湿器产生的水蒸汽一同进入主反应器进行吸附，并在外加电压下被降解，完成吸附-降解过程，处理后的气体作为洁净空气被风机排出。
本发明的一个或多个实施方式至少具有以下有益效果：
(1)本发明将吸附和电催化过程同步进行，在外加电压的作用下，不仅被吸附的VOC气体被快速降解，提高了VOC降解效率，而且产生的二氧化碳气体作为尾气的一部分被吹出，使得功能炭材料中的活性点位被释放，实现功能炭材料的再生循环，延长了使用寿命；
(2)本发明采用加湿器向***内提供水蒸汽，使得水蒸汽与空气一同进入主反应器，在空气发生吸附降解时，水蒸汽能够作为电催化的导电介质，采用加湿空气和具有导电性的功能炭材料相结合的方式，实现对气态VOC气体的直接电催化降解，从而避免了体系内部电解液的添加，不需要频繁更换电解液；
(3)本发明采用外加电压的方式催化被吸附VOC气体的氧化降解，工作电压一般在5V至30V，相比于需要变压器提供高压的等离子体放电氧化，对电压的要求低很多，故本发明可在较低电压下实现VOC气体的电催化氧化降解，使应用条件和能耗大为降低。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为实施例1所提供的VOC气体电吸附-催化降解装置的整体结构图；；
图2为实施例1所提供的VOC气体电吸附-催化降解装置的部分剖视图；
图3为实施例1所提供的主反应器外形示意图；
图4为实施例1所提供的所述主反应器内部结构示意；
1-壳体，2-风机，3-主反应器，4-加湿器，5-数控模块，6-进气孔，7-阴极板，8-功能炭材料层，9-阳极板，10-绝缘层，11-填充层。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有的VOC气体净化装置在低VOC气体浓度环境下处理效果并不理想，而且，存在电解液环境，随着净化时间的延长，需要频繁更换电解液，为使用带来了不便。可见，目前的催化降解技术降解效果有限，应用起来也不方便，难以广泛推广至普通家庭。
为了解决如上的技术问题，本发明第一方面提出了一种VOC气体电吸附-催化降解装置，包括：
风机，用于营造真空度，向装置内引入VOC气体；
主反应器，包含有功能炭材料、阳极和阴极，三者配合形成VOC吸附-电催化反应区，VOC气体通过在该区域内发生吸附-电催化反应进行降解；
加湿器，用于提供水蒸汽，水蒸汽作为电催化过程的导电介质。
所述主反应器由阳极、功能炭材料、阴极构成。其中，主反应器中的功能炭材料为主要功能性吸附材料，VOC气体在功能炭材料上进行吸附，同时，在阴极和阳极之间能够形成外加电压，实现在电催化作用下进行吸附降解，有效加快了VOC的降解效率。而且，在外加电压的电催化反应下，被吸附的VOC气体被快速降解，产生的二氧化碳气体作为尾气的一部分被吹出，功能炭材料中的活性点位被释放，实现功能炭材料的再生循环，延长使用寿命；
加湿器的作用主要为调节气体湿度，向***内提供水蒸汽，水蒸汽与空气一同进入主反应器后，在空气发生吸附降解时，水蒸汽能够作为电催化的导电介质，从而避免了体系内部电解液的添加，事实上，本发明摒弃了传统电催化吸附降解净化器的电解液环境，采用加湿空气和具有导电性的功能炭材料相结合的方式，实现对气态VOC气体的直接电催化降解，不需要频繁更换电解液。所述加湿器优选为直流超声震荡式加湿器，能够快速产生水蒸汽。
主反应器为VOC气体发生吸附反应和电催化反应进行降解的部件，为了更充分地对VOC气体进行净化，本发明将主反应器设置为复合螺旋卷式结构，在该形态下，相对吸附面积和相对电催化反应面积更高，更有助于VOC气体在反应器内的吸附降解；
作为优选的实施方式，本发明在主反应器的层级结构上进行了合理设计，本发明所提供的主反应器的中心为填充层，用于填补反应器中心空隙。在填充层的周围依次设置有阴极板，功能炭材料层、阳极板和绝缘层，阴极板，功能炭材料层、阳极板和绝缘层可按照该顺序重复设置，复合螺旋卷式结构的空心由填充层填满，各层之间均为紧密贴合，各层反应电极同时工作且不相互干扰。绝缘层的作用则是为了避免阴极和阳极相互接触。
主反应器中，不仅结构能够影响性能，材料本身对于性能的影响也是至关重要，本发明中的阳极优选为的钛电极，进一步优选为表面镀钌铱的钛电极；将功能炭材料搭载在钛电极上，VOC气体能够在短时间内被吸附和催化降解，而且，经过比较试验表明，表面镀钌铱的钛电极，防酸性腐蚀的能力大大提高，能够提高电极使用寿命，并且对VOC降解有催化作用。
所述阴极为纯钛电极；绝缘层的材料为专业PVC绝缘胶带；填充层的材料为石膏；
所述功能炭材料为果壳炭材料，包括椰壳、桃壳、核桃壳、枣壳炭材料，优选为椰壳炭材料，椰壳炭材料具有活性点位多，易于制备且导电性良好等特点，适合作为吸附剂主体；
进一步的，所述功能炭材料优选纤维状，并经过表面改性处理以提高吸附VOC的能力；优选的，所述表面改性处理采用高锰酸钾浸渍功能炭材料并在650℃下加热6h，以获得更好的孔隙结构；优选的，所述纤维状功能炭材料为酚醛基炭纤维、PAN基炭纤维、粘胶基炭纤维中的一种或多种。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述主反应器、风机和加湿器的外部设置有壳体，壳体上布置有若干进气孔，待处理空气从进气孔进入壳体内部；优选的，进气孔在壳体上沿主反应器底部外周设置，这样能够便于空气直接进入主反应器近期吸附降解。
进一步的，所述主反应器的外表面与壳体内表面紧密连接，从而避免含有VOC的空气和水蒸汽不经过反应器处理就被风机引出，降低空气净化效率。
在本发明的一个或多个实施方式中，该装置上还设置有VOC传感器，通过VOC传感器来实时监测空气中VOC处理降解情况；为了精确实时监控VOC的降解情况，VOC传感器至少设置为两个，而基于节约成本的考虑，VOC传感器的个数优选为两个，且前后放置在主反应器两侧，两VOC传感器于同一竖直线上，用以有效监测VOC处理效果；
进一步的，所述VOC传感器采用电化学传感器，相比于其他传感器，电化学传感器使用寿命长，灵敏度高，反应速度快，可及时监测VOC浓度变化；
作为优选的实施方式，所述VOC传感器还连接有数控模块，VOC传感器监测得到的数据经数据传输线进入数控模块，数控模块采集数据后，实时调整电压、电流密度以及风机功率，从而降低能耗。
进一步的，所述数控模块连接有外加电源，所述外加电源包括AC/DC电源转换模块、功率输出模块、电流检测模块和控制模块；
所述主反应器通过金属板电极引线与所述功率输出模块正负极相连，所述功率输出模块输出恒定电压，所述恒定电压值为30V；优选的，所述电极引线采用纯铜电线，将功率输出模块正负极分别与主反应器中的阳、阴极板相连，连接方式为焊接。
本发明第二方面提供一种采用上述装置进行VOC气体电吸附-催化降解的工艺，具体为：
打开风机将被VOC污染的空气引入装置内，被VOC污染的空气携带加湿器产生的水蒸汽一同进入主反应器进行吸附，并在外加电压下被降解，完成吸附-降解过程，处理后的气体作为洁净空气被风机排出；
进一步的，上述工艺在VOC传感器的监控下进行，通过VOC传感器将空气中的VOC含量信息传递给数控模块，数控模块采集数据后，能够实时进行调整电压、电流密度以及风机功率，使得吸附-降解过程高效进行，当VOC传感器监测到空气中VOC的含量达到标准时，将信号传输给数控模块，数控模块控制外加电源关闭，反应结束。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
如图1和图2所示，本实施例提供一种VOC气体电吸附-催化降解装置，主要包括壳体1，风机2，主反应器3和加湿器4；
壳体1呈圆柱体形，数控模块1和风机2嵌入在壳体顶部，其中风机2位于顶部中心处；壳体1内部中段设置有主反应器3，主反应器3正下方设置加湿器4，沿主反应器3底部外周的壳体上设置有进气孔6，在风机2的作用下，被VOC污染的空气从进气孔6进入装置内，从进气孔6进入的空气则与加湿器4产生的水蒸汽一同进入主反应器3进行吸附-电催化降解，再从风机2排出。
其中，主反应器3的结构如图3所示，呈复合螺旋卷式结构的圆柱体，主反应器3的外表面与壳体1内表面紧密连接；如图4所示，主反应器3俯视图展现出复合螺旋卷式结构的各层组成，中心为填充层11，在填充层的周围依次设置有阴极板7，功能炭材料层8、阳极板9和绝缘层10，复合螺旋卷式结构的空心由填充层11填满，各层之间均为紧密贴合，各层反应电极同时工作且不相互干扰。
实施例2
在实施例1的基础上，主反应器3前后两侧设置有两个VOC传感器，且位于同一竖直线上；VOC传感器还连接有数控模块5，VOC传感器将监测得到的数据传输给数控模块5，数控模块5采集数据后调节电源电压来实时控制VOC降解速率。
实施例3
本实施例提供一种采用实施例2中的装置进行VOC气体电吸附-催化降解的工艺，具体为：先打开风机2在装置顶部产生真空度，被VOC污染的空气由进气孔5被引入装置内部，同时加湿器4产生水蒸汽，与被VOC污染气体一同进入主反应器3，主反应器3中的功能炭材料层8将水蒸汽与被VOC污染空气中的VOC气体吸附后，在由数控模块5控制的外加电源下进行电催化氧化降解反应；当VOC传感器监测到空气中VOC的含量达到标准时，将信号传输给数控模块5，数控模块5控制外加电源关闭，反应结束，洁净空气被风机2引出装置，完成净化过程。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种VOC气体电吸附-催化降解装置，其特征在于：包括：
风机，用于营造真空度，向装置内引入VOC气体；
主反应器，包含有功能炭材料、阳极和阴极，三者配合形成VOC吸附-电催化反应区，VOC气体通过在该区域内发生吸附-电催化反应进行降解；
加湿器，用于提供水蒸汽，水蒸汽作为电催化过程的导电介质。
2.如权利要求1所述的VOC气体电吸附-催化降解装置，其特征在于：主反应器为复合螺旋卷式结构；
优选的，主反应器的中心为填充层，在填充层的周围依次设置有阴极板，功能炭材料层、阳极板和绝缘层，复合螺旋卷式结构的空心由填充层填满，各层之间均为紧密贴合，各层反应电极同时工作且不相互干扰。
3.如权利要求2所述的VOC气体电吸附-催化降解装置，其特征在于：所述阳极为表面镀钌铱的钛电极；
所述阴极为纯钛电极；绝缘层的材料为专业PVC绝缘胶带；填充层的材料为石膏。
4.如权利要求2所述的VOC气体电吸附-催化降解装置，其特征在于：所述功能炭材料为果壳炭材料，包括椰壳、桃壳、核桃壳、枣壳炭材料，优选为椰壳炭材料；
进一步的，所述功能炭材料优选为纤维状，并经过表面改性处理以提高吸附VOC的能力；所述表面改性处理采用高锰酸钾浸渍功能炭材料并在650℃下加热6h；
进一步的，所述纤维状功能炭材料为酚醛基炭纤维、PAN基炭纤维、粘胶基炭纤维中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的VOC气体电吸附-催化降解装置，其特征在于：所述主反应器、风机和加湿器的外部设置有壳体，壳体上布置有若干进气孔，待处理空气从进气孔进入壳体内部；
优选的，进气孔在壳体上沿主反应器底部外周设置；
进一步优选的，所述主反应器的外表面与壳体内表面紧密连接。
6.如权利要求1所述的VOC气体电吸附-催化降解装置，其特征在于：该装置上还设置有VOC传感器，通过VOC传感器来实时监测空气中VOC处理降解情况；
优选的，所述VOC传感器设置有两个，前后放置在主反应器两侧，两VOC传感器位于同一竖直线上，用以监测VOC处理效果；
进一步优选的，所述VOC传感器采用电化学传感器。
7.如权利要求6所述的VOC气体电吸附-催化降解装置，其特征在于：所述VOC传感器还连接有数控模块，监测得到的数据经数据传输线进入数控模块，数控模块采集数据后调节电源电压以控制VOC降解速率。
8.如权利要求7所述的VOC气体电吸附-催化降解装置，其特征在于：所述数控模块连接有外加电源，所述电源包括AC/DC电源转换模块、功率输出模块、电流检测模块和控制模块。
9.如权利要求8所述的VOC气体电吸附-催化降解装置，其特征在于：所述主反应器通过金属板电极引线与所述功率输出模块正负极相连，所述功率输出模块输出恒定电压，所述恒定电压值为30V；
优选的，所述电极引线采用纯铜电线，将功率输出模块正负极分别与主反应器中的阳、阴极板相连，连接方式为焊接；
所述加湿器采用直流超声震荡式加湿器。
10.采用权利要求1-9任一项所述的装置进行VOC气体电吸附-催化降解的工艺，其特征在于：具体为：
打开风机将被VOC污染的空气引入装置内，被VOC污染的空气携带加湿器产生的水蒸汽一同进入主反应器进行吸附，并在外加电压下被降解，完成吸附-降解过程，处理后的气体作为洁净空气被风机排出；
进一步的，上述工艺在VOC传感器的监控下进行，通过VOC传感器将空气中的VOC含量信息传递给数控模块，数控模块采集数据后，能够实时进行调整电压、电流密度以及风机功率，使得吸附-降解过程高效进行，当VOC传感器监测到空气中VOC的含量达到标准时，将信号传输给数控模块5，数控模块5控制外加电源关闭，反应结束。
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