CN113813697A - 具有除尘和催化净化VOCs功能的金属纤维滤料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有除尘和催化净化VOCs功能的金属纤维滤料的制备方法，该制备方法包括：提供一金属纤维毡衬底；配置催化剂前驱体溶液，催化剂前驱体溶液包括前驱体和燃烧性溶剂；采用雾化送样将催化剂前驱体溶液送入燃烧器，雾化后的催化剂前驱体溶液与氧化剂在燃烧器中混合；在燃烧器中加入燃料和浴气，使雾化后的催化剂前驱体溶液、氧化剂、燃料和浴气共同燃烧；雾化后的催化剂前驱体溶液经热解后，形成催化剂核；催化剂核聚集、长大，并沉积到金属纤维毡衬底上，形成具有除尘和催化净化VOCs功能的金属纤维滤料。本发明还提供一种利用上述方法得到的具有除尘和催化净化VOCs功能的金属纤维滤料及其在净化处理含有粉尘和VOCs的混合废气中的应用。

Description

具有除尘和催化净化VOCs功能的金属纤维滤料及其制备方法
技术领域
本发明涉及烟气净化领域，尤其涉及一种具有除尘和催化净化VOCs功能的金属纤维滤料及其制备方法。
背景技术
挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds，简称VOCs)是指在常温下饱和蒸气压约大于70Pa，常压下沸点低于260℃的有机化合物。
在工业生产和燃料燃烧过程中，不可避免的会产生粉尘和各种挥发性有机物，特别是在高温加热和有机溶剂冷却过程中，高温粉尘和有机物的挥发会大量产生，需要进行净化处理。为降低成本，实现低碳、高效的短流程处理效果，金属纤维高温滤料越来越受到重视。
目前，金属纤维滤料主要承担过滤粉尘的作用，但是在工业生产过程中粉尘和有机物产生大多是同时进行的，且同时混合着排放至废气净化处理设备。因此，单一功能的金属纤维、天然纤维滤料、化学纤维或玻璃纤维等制成的除尘滤料经常会因有机物成分冷却聚集而堵塞或者老化，失去净化性能；并且同时排放的有机废气还需设置其他VOCs处理设备进行回收或者净化处理，使企业投资成本增高。
相关技术中，公开号为CN104226020B的中国专利文献中提及了同时除尘和催化去除有害气体的滤料制备方法，该方法制备得到的滤料包括依次叠层的迎尘层、缓冲层、催化过滤层和支撑层；其中，催化过滤层是通过静电纺丝制备出SiO2-TiO2纳米纤维后，通过溶剂热合成法在纳米纤维上负载催化活性成分。但是因为该制备方法采用的是SiO2-TiO2的复合纳米纤维，该材料制作工艺较为复杂，成本较高，不适于大规模生产和制作，并且需要迎风层、缓冲层、支撑层等结构进行辅助配合，制作流程长，效率不高且价格昂贵。并且2017年10月27日，世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单初步整理参考，特殊用途的纤维，如E玻璃和“475”玻璃纤维在2B类致癌物清单中、连续的玻璃纤维在3类致癌物清单中，玻璃纤维滤料已经逐步进入淘汰阶段。
基于以上情况，研发一种新型的具有除尘和催化净化VOCs功能的金属纤维滤料具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，为了同时净化处理含有粉尘和VOCs的混合废气，本发明提供一种具有除尘和催化净化VOCs功能的金属纤维滤料及其制备方法。
本发明提供一种具有除尘和催化净化VOCs功能的金属纤维滤料的制备方法，该制备方法包括：提供一金属纤维毡衬底；采用火焰喷涂催化剂负载方法在金属纤维毡衬底上沉积催化剂，形成具有除尘和催化净化VOCs功能的金属纤维滤料；其中，采用火焰喷涂催化剂负载方法在金属纤维毡衬底上沉积催化剂包括：配置催化剂前驱体溶液，催化剂前驱体溶液包括前驱体和燃烧性溶剂；采用雾化送样将催化剂前驱体溶液送入燃烧器，雾化后的催化剂前驱体溶液与氧化剂在燃烧器中混合；在燃烧器中加入燃料和浴气，使雾化后的催化剂前驱体溶液、氧化剂、燃料和浴气共同燃烧；雾化后的催化剂前驱体溶液经热解后，形成催化剂核；催化剂核聚集、长大，并沉积到金属纤维毡衬底上。
在一些实施例中，燃烧器为一个或多个；燃烧器包括多个火焰分布器，多个火焰分布器均匀分布在燃烧器中。
在一些实施例中，金属纤维毡衬底包括不锈钢纤维毡、铁铬铝纤维毡或哈氏合金纤维毡。
在一些实施例中，提供一金属纤维毡衬底包括：利用集束拉拔工艺将金属丝复合组装、多次多股拉拔，制作成微米级纤维丝，将微米级纤维丝进行铺毡、真空烧结、焊接组装，得到金属纤维毡衬底。
在一些实施例中，催化剂包括以下至少之一：氧化铱、氧化钯、氧化钌、氧化铑、氧化铁、氧化铈、氧化铝、氧化铬、氧化钡、氧化锌、氧化镧钴、氧化镧锰、钙钛矿。
在一些实施例中，雾化进样为脉冲雾化进样，脉冲雾化进样的射频频率和脉宽控制催化剂核的生长速率，其中，射频频率小于100Hz，脉宽在毫秒量级。
在一些实施例中，氧化剂包括以下之一：空气、氧气、空气与氧气的混合气。
在一些实施例中，燃料包括气体燃料或液体燃料。
在一些实施例中，浴气包括氮气或惰性气体。
在一些实施例中，利用第一流量控制器调控氧化剂进入燃烧器的量；利用第二流量控制器调控燃料进入燃烧器的量；利用第三流量控制器调控浴气进入燃烧器的量。
在一些实施例中，前驱体包括以下至少之一：乙酰丙酮铱、乙酸钯、乙酸钌、乙酰丙酮铑、乙酰丙酮铁、乙酰丙酮铈、乙酰丙酮铝、乙酰丙酮铬、乙酰丙酮钡、水合乙酰丙酮锌、乙酰丙酮镧水合物、乙酰丙酮钴、乙酰丙酮锰、乙酸澜水合物。
在一些实施例中，燃烧性助剂包括乙醇。
在一些实施例中，前驱体的浓度为毫摩尔每升量级。
本发明还提供一种利用上述的制备方法得到的具有除尘和催化净化VOCs功能的金属纤维滤料。
本发明还提供一种上述的金属纤维滤料在净化处理含有粉尘和VOCs的混合废气中的应用。
本发明提供的具有除尘和催化净化VOCs功能的金属纤维滤料及其制备方法，具有以下有益效果：
(1)可以同时净化粉尘和VOCs气体，适用于净化处理包含VOCs气体和粉尘的混合废气。
(2)不需要制备叠层的迎尘层、缓冲层、催化过滤层和支撑层，本制备方法工艺简单，安全高效，无二次污染。
(3)通过控制雾化后的催化剂前驱体溶液、氧化剂、燃料和浴气的量即可调控催化剂的结构，制备过程稳定可靠。
附图说明
图1为本发明实施例提供的金属纤维滤料的制备流程图；
图2为本发明实施例提供的金属纤维滤料的制备过程示意图；
图3为本发明实施例提供的金属纤维毡衬底的制备流程图；
图4为本发明实施例提供的金属纤维滤料的结构示意图。
【附图标记说明】
1-金属纤维毡衬底；2-燃烧器；3-催化剂前驱体溶液入口；4-脉冲喷嘴；5-氧化剂进气口；6-燃料和浴气入口；7-雾化的催化剂前驱体溶液；8-火焰分布器；9-催化剂颗粒层
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供一种具有除尘和催化净化VOCs功能的金属纤维滤料及其制备方法。采用火焰喷涂催化剂负载方法在金属纤维毡衬底上沉积催化剂，形成具有除尘和催化净化VOCs功能的金属纤维滤料。火焰喷涂催化剂负载方法是指将催化剂前驱体溶液雾化进样，喷入火焰中发生反应，形成预制备材料核，预制备材料核喷涂到金属纤维毡衬底上，合成稳定性强、活性高的薄膜或纳米颗粒。
图1为本发明实施例提供的金属纤维滤料的制备流程图。图2为本发明实施例提供的金属纤维滤料的制备过程示意图。结合图1和图2所示，该制备方法包括操作S101～S107。
在操作S101，提供一金属纤维毡衬底1，包括金属纤维毡衬底1的选择和预处理。
根据本发明的实施例，金属纤维毡衬底1可以为不锈钢纤维毡、铁铬铝纤维毡或哈氏合金纤维毡。
根据本发明的实施例，金属纤维滤料1具有过滤粉尘的功能，可拦截0.5μm左右的颗粒。金属纤维滤料1具有孔隙率高(可达90％)，透气性好的特点。
根据本发明的实施例，根据实际工艺的要求，选择合适的金属纤维毡1作为衬底。根据待处理废气温度的不同，选择满足不同温度条件使用的金属纤维毡衬底1。其中不锈钢金属纤维毡在450℃以下可以长期使用，铁铬铝纤维毡在600℃以下可以长期使用。图3为本发明实施例提供的金属纤维毡衬底1的制备流程图。
参考图3所示，提供一金属纤维毡衬底1包括：利用集束拉拔工艺将金属丝复合组装、多次多股拉拔，制作成微米级纤维丝，将微米级纤维丝进行铺毡、真空烧结、焊接组装，得到金属纤维毡。采用该技术可以大规模的成产金属纤维毡，效率高且价格低，无二次污染。
根据本发明的实施例，金属丝的类别可以为316L、310S或FeCrAl。
根据本发明的实施例，根据负载催化剂密度的不同，可以选择不同类别和尺寸的金属丝。
需要说明的是，金属纤维毡衬底具有易清灰的特性，在使用后易回收处理，不会对环境造成二次污染。
在操作S102，配置催化剂前驱体溶液，催化剂前驱体溶液包括前驱体和燃烧性溶剂。
根据本发明的实施例，前驱体可以包括以下至少之一：乙酰丙酮铱、乙酸钯、乙酸钌。
根据本发明的实施例，依据催化剂的特性和温度要求配置前驱体的浓度；其中前驱体的浓度为毫摩尔每升量级。
根据本发明的实施例，燃烧性助剂可以为乙醇，也可以为其它醇类溶剂。
根据本发明的实施例，催化剂的选择与金属纤维滤料的制备要求相关，催化剂的选择、催化剂的前驱体的配置、雾化进样的频率等的设计应与金属纤维滤料制备要求结合起来考虑。
在操作S103，采用雾化送样将催化剂前驱体溶液送入多个燃烧器2，雾化后的催化剂前驱体溶液7与氧化剂在燃烧器2中混合。
根据本发明的实施例，采用雾化送样的方式包括脉冲雾化送样，气体冲击。
根据本发明的实施例，采用脉冲雾化送样，利用脉冲喷嘴4将前驱体溶液雾化后送入燃烧器2，其中脉冲喷嘴4可以为多个。通过控制脉冲喷嘴4的开关时长可以控制雾化后的催化剂前驱体溶液7进入燃烧器的量。
根据本发明的实施例，采用雾化进样可以保证催化剂浓度的稳定，进而使最终形成的产品形态均匀，性能稳定。
根据本发明的实施例，氧化剂通过氧化剂进气口5进入燃烧器2，与雾化后的催化剂前驱体溶液7在燃烧器2中混合。
根据本发明的实施例，氧化剂包括以下之一：空气、氧气、空气与氧气的混合气。
在操作S104，在燃烧器2中加入燃料和浴气，使雾化后的催化剂前驱体溶液7、氧化剂、燃料和浴气共同燃烧。
根据本发明的实施例，燃料包括气体燃料或液体燃料。
根据本发明的实施例，浴气包括氮气或惰性气体。
根据本发明的实施例，利用第一流量控制器(未示出)调控氧化剂进入燃烧器2的量；利用第二流量控制器(未示出)调控燃料进入燃烧器2的量；利用第三流量控制器(未示出)调控浴气进入燃烧器2的量。通过控制雾化后的催化剂前驱体溶液、氧化剂、燃料和浴气的量即可调控催化剂的结构。
根据本发明的实施例，每个燃烧器2包括多个火焰分布器8，多个火焰分布器8均匀分布在燃烧器2中。
需要说明的是，采用***集成的理念，火焰分布器和单个燃烧器是有机结合的，燃烧器及单个燃烧器中的火焰分布器的数量与分布方式可根据生产要求进行调整。
在操作S105，雾化后的催化剂前驱体溶液7经热解后，形成催化剂核。
在操作S106，催化剂核聚集、长大，并沉积到金属纤维毡衬底1上。
根据本发明的实施例，催化剂核聚集、长大，形成催化剂颗粒层9，金属纤维毡衬底1按照一定的速度移动，使催化剂颗粒层9均匀沉积到金属纤维毡衬底1上，形成金属纤维滤料。
根据本发明的实施例，通过控制火焰分布器的集成密度，可以调控催化剂负载的密度，进而制备得到不同的金属纤维滤料。
根据本发明的实施例，燃烧器可以位于金属纤维毡衬底两侧，调控金属纤维毡衬底两侧的燃烧器的开关，可以实现金属纤维毡衬底的单侧负载或两侧同时负载催化剂。根据本发明的实施例，催化剂为具有催化特性的贵金属、过渡态金属或稀土金属及其氧化物。
根据本发明的实施例，催化剂包括以下至少之一：氧化铱、氧化钯、氧化钌、氧化铑、氧化铁、氧化铈、氧化铝、氧化铬、氧化钡、氧化锌、氧化镧钴、氧化镧锰、钙钛矿。
根据本发明的实施例，可以采用脉冲雾化进样，脉冲雾化进样的射频频率和脉宽控制催化剂的生长速率、厚度以及化学计量，其中，射频频率小于100Hz，脉宽在毫秒量级。
根据本发明的实施例，通过控制平均沉积速率以及沉积时间可以控制催化剂的结构。
图4为本发明实施例提供的金属纤维滤料的结构示意图。
如图4所示，多个火焰分布器8热解产生的催化剂以纳米颗粒密集点阵的形式均匀沉积在金属纤维衬底1上。
在操作S107，对制备得到的金属纤维滤料进行性能检测和加工处理。
根据本发明的实施例，沉积有催化剂颗粒的金属纤维滤料进一步进行堆积、成型、通气、催化和过滤性能检测，形成合格的金属纤维滤料。
根据本发明的实施例，催化剂可根据VOCs成分和废气温度进行选择性附着制备，对不同的催化剂成分进行组合和配对，形成具有对应功能的催化净化金属纤维滤料。
本发明还提供一种利用上述的制备方法得到的具有除尘和催化净化VOCs功能的金属纤维滤料。
本发明还提供一种上述的金属纤维滤料在净化处理含有粉尘和VOCs的混合废气中的应用。
根据本发明的实施例，金属纤维滤料的除尘作用机理是含尘气体在通过金属纤维滤料时，初期在金属纤维滤料表面通过筛滤，拦截、碰撞、静电作用迅速形成表面粉尘层，然后通过表面粉尘层对含有粉尘和VOCs的混合废气中的粉尘进行过滤。
本发明实施例提供的金属纤维滤料可以同时净化粉尘和VOCs气体，适用于处理包含VOCs气体和粉尘的混合废气。不需要预先利用金属纤维毡对混合废气进行除尘处理，再利用催化净化反应器进行催化净化。利用本发明实施例提供的金属纤维滤料提高了催化净化混合废气的效率。
本发明实施例提供的催化净化VOCs的金属纤维滤料的制备方法不需要制备叠层的迎尘层、缓冲层、催化过滤层和支撑层，本制备方法工艺简单，安全高效，无二次污染。
本发明实施例提供的催化净化VOCs的金属纤维滤料的制备方法通过控制雾化后的催化剂前驱体溶液、氧化剂、燃料和浴气的量即可调控催化剂的结构，制备过程稳定可靠。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有除尘和催化净化VOCs功能的金属纤维滤料的制备方法，其特征在于，包括：
提供一金属纤维毡衬底；
采用火焰喷涂催化剂负载方法在所述金属纤维毡衬底上沉积催化剂，形成具有除尘和催化净化VOCs功能的金属纤维滤料；
其中，所述采用火焰喷涂催化剂负载方法在所述金属纤维毡衬底上沉积催化剂包括：
配置催化剂前驱体溶液，所述催化剂前驱体溶液包括前驱体和燃烧性溶剂；
采用雾化送样将所述催化剂前驱体溶液送入燃烧器，雾化后的催化剂前驱体溶液与氧化剂在所述燃烧器中混合；
在所述燃烧器中加入燃料和浴气，使所述雾化后的催化剂前驱体溶液、所述氧化剂、所述燃料和所述浴气共同燃烧；
所述雾化后的催化剂前驱体溶液经热解后，形成催化剂核；
所述催化剂核聚集、长大，并沉积到所述金属纤维毡衬底上。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述燃烧器为一个或多个；
所述燃烧器包括多个火焰分布器，多个所述火焰分布器均匀分布在所述燃烧器中。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属纤维毡衬底包括不锈钢纤维毡、铁铬铝纤维毡或哈氏合金纤维毡；
所述提供一金属纤维毡衬底包括：利用集束拉拔工艺将金属丝复合组装、多次多股拉拔，制作成微米级纤维丝，将所述纤维丝进行铺毡、真空烧结、焊接组装，得到所述金属纤维毡衬底。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂包括以下至少之一：氧化铱、氧化钯、氧化钌、氧化铑、氧化铁、氧化铈、氧化铝、氧化铬、氧化钡、氧化锌、氧化镧钴、氧化镧锰、钙钛矿。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述雾化进样为脉冲雾化进样，所述脉冲雾化进样的射频频率和脉宽控制所述催化剂核的生长速率，其中，所述射频频率小于100Hz，所述脉宽在毫秒量级。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧化剂包括以下之一：空气、氧气、空气与氧气的混合气；
所述燃料包括气体燃料或液体燃料；
所述浴气包括氮气或惰性气体。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，利用第一流量控制器调控所述氧化剂进入所述燃烧器的量；利用第二流量控制器调控所述燃料进入所述燃烧器的量；利用第三流量控制器调控所述浴气进入所述燃烧器的量。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述前驱体包括以下至少之一：乙酰丙酮铱、乙酸钯、乙酸钌、乙酰丙酮铑、乙酰丙酮铁、乙酰丙酮铈、乙酰丙酮铝、乙酰丙酮铬、乙酰丙酮钡、水合乙酰丙酮锌、乙酰丙酮镧水合物、乙酰丙酮钴、乙酰丙酮锰、乙酸澜水合物；
所述燃烧性助剂包括乙醇；
所述前驱体的浓度为毫摩尔每升量级。
9.一种利用权利要求1～8中任一项所述的制备方法得到的具有除尘和催化净化VOCs功能的金属纤维滤料。
10.一种如权利要求9所述的金属纤维滤料在净化处理含有粉尘和VOCs的混合废气中的应用。
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