CN204865485U - 内嵌紫外灯管的双介质阻挡放电有机废气处理装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种内嵌紫外灯管的双介质阻挡放电有机废气处理装置,处理装置筒体内部分成紫外照射区、双介质阻挡放电区和加热分解区。紫外灯管内嵌在筒体的轴中心,横跨紫外照射区和双介质阻挡放电区。双介质阻挡放电区的紫外灯管缠绕有负载纳米TiO2的烧结多孔金属纤维丝,既作为放电电极,又作为光催化剂。加热分解区有催化剂层、加热片和热电偶,催化剂层填充臭氧分解催化剂。有机废气首先通过紫外照射区进行预氧化,再经过双介质阻挡放电区,进行等离子体和光催化的协同降解,最后通过加热分解区对残留的臭氧进行分解。本实用新型对低温等离子体技术和光催化技术进行了创新性的耦合,不但可以提高有机废气的去除率,同时降低了二次污染。
Description
技术领域
本实用新型属于废气处理领域,具体涉及一种内嵌紫外灯管的双介质阻挡放电有机废气处理装置。
背景技术
低温等离子体技术(Non-ThermalPlasma,NTP)已经广泛用于挥发性有机废气(VolatileOrganicCompounds,VOCs)治理,介质阻挡放电(DielectricBarrierDischarges,DBD)是低温等离子体技术的主要放电形式之一,并已经成为工业化VOCs治理的常用技术。近年来,将NTP技术和光催化技术结合来降解VOCs引起了国内外研究者的极大关注,两者的协同作用不仅可以大大降低单独使用NTP技术造成的二次污染问题,还克服了单一采用光催化技术去除效率不高的缺点,使两者者优势互补,进一步提高了VOCs的去除率。
目前,NTP技术结合光催化技术降解VOCs主要有两种技术路线:一种是一段式的,也就是将光催化剂直接置于低温等离子体放电空间中,利用等离子体放电过程中产生的紫外光线,可同时进行光催化反应,一般可将光催化剂填充在放电区域或者涂覆在放电极上面,公告号为CN102179145B的中国专利公开了一种低温等离子体催化协同治理VOCs的反应器,将催化剂填充在放电气隙之间,公告号为CN101342461B的中国专利公开了一种脉冲光催化-金属氧化物催化等离子体反应器,将光催化剂负载在***反应器的刚玉管表面;另一种是两段式的,也就是将低温等离子体段和光催化段进行简单的串联,先进行低温等离子体段的处理再进行光催化段的处理,或者先进行光催化段的处理再进行低温等离子体段的处理,公开号为CN200820098255.6的实用新型专利公开了一种将介质阻挡放电、电晕放电和光催化室串联的工业废气处理器,公开号为CN201520071638.4的实用新型专利公开了一种两个光催化单元和两个等离子体单元错开串联的处理有机废气的装置。
NTP结合光催化降解VOCs的技术,无论一段式的还是两段式的都存在着一定的问题。在一段式的反应器中,光催化剂只能使用NTP放电产生的紫外光线才能发挥作用,但是NTP放电产生紫外光线的量相对较少,而且很不稳定,这就使得光催化剂难以稳定发挥其功效。而在两段式的反应器中,NTP单元和光催化单元实际上仍然是单独作用,协同效果非常有限,反应器的体积也会大大增加,且产生的二次污染问题仍然比较突出。如何解决等离子体和光催化之间的有效耦合,提高协同作用效果,是当前面临的一个瓶颈。
发明内容
本实用新型的目的是解决现有技术中存在的不足,并提供一种内嵌紫外灯管的双介质阻挡放电有机废气处理装置,具体技术方案如下:
一种内嵌紫外灯管的双介质阻挡放电有机废气处理装置,装置的外壳为筒体,筒体内部由第一隔板和第二隔板分割为三个腔室,中间为双介质阻挡放电区,左侧为紫外照射区,右侧为加热分解区;紫外照射区左端和加热分解区右端分别以前端面和后端面密封;第一隔板上设有第一气孔,第二隔板上设有第二气孔;紫外照射区外壁上设有进气口,加热分解区外壁上设有出气口;紫外照射区和双介质阻挡放电区中设置有紫外灯管;紫外灯管与紫外灯电源相连,进行供电;双介质阻挡放电区所在的筒体内壁上环绕有第一层介质阻挡层;双介质阻挡放电区所在的筒体外壁上环绕有金属导电层;金属导电层与接地线相连接地;双介质阻挡放电区内的紫外灯管作为第二层介质阻挡层,紫外灯管外壁缠绕有烧结多孔金属纤维丝,烧结多孔金属纤维丝上面负载有TiO2光催化剂,并作为介质阻挡放电的放电极,烧结多孔金属纤维丝一端与等离子体高压电源相连;热分解区的所有内壁上覆有催化剂层,用于催化分解O3;催化剂层上设有加热片;加热分解区还接有一个热电偶,加热片和所述的热电偶均与筒体外面的温控仪相连。
所述的筒体呈圆柱形;所述的紫外灯管设置在紫外照射区和双介质阻挡放电区的轴中心位置,紫外灯管穿过第一隔板,两端分别固定在前端面和后端面上。
所述的第一气孔设置于第一隔板上部,所述的第二气孔设置于第二隔板下部,所述的进气口设置于紫外照射区左下部,所述的出气口设置于加热分解区右上部。
所述的第一层介质阻挡层的材料为陶瓷或石英玻璃。
所述的金属导电层的材料为金属片或金属网。
所述的催化剂层表面设有支撑架,支撑架内填充有臭氧分解催化剂。
所述的臭氧分解催化剂为MnO2、NiO、Fe2O3或CeO2中的一种。
所述的紫外灯管的波长范围为185~400nm。
所述的烧结多孔金属纤维丝的材质为不锈钢、FeCrAl、FeCrNi或NiCr合金中的一种。
本实用新型与现有技术相比具有的有益效果在于:
(1)将紫外灯管直接内嵌到介质阻挡放电区域中,不仅形成了双介质阻挡放电,还实现了真正的一段式等离子体协同光催化***,光催化反应不再仅仅依靠等离子体放电产生的微量紫外光,外加的紫外光可大大增强光催化反应的效果,从而提高等离子体协同光催化***降解VOCs的效果;
(2)双介质阻挡放电的放电极采用烧结多孔金属纤维丝,充分利用烧结多孔金属纤维丝的多孔性质负载TiO2光催化剂,并缠绕在紫外灯管上面,TiO2光催化剂靠近紫外光源,有利于提高光催化效果;
(3)处理装置的末端设置了加热分解区,并通过温控仪将加热分解区的气体温度控制在一定范围,通过催化剂层内的催化反应,可以将经过等离子体光催化***处理之后未完全分解的少量O3彻底分解,杜绝了二次污染。
附图说明
图1内嵌紫外灯管的双介质阻挡放电有机废气处理装置示意图;
图2本实用新型的负载纳米TiO2的烧结多孔金属纤维丝的SEM扫描电镜图(左20μm尺度,右2μm尺度);
图中:紫外照射区1、双介质阻挡放电区2、加热分解区3、筒体11、前端面12、第一隔板13、紫外灯管14、进气口15、第一气孔16、紫外灯电源17、烧结多孔金属纤维丝21、等离子体高压电源22、第一层介质阻挡层23、金属导电层24、第二隔板25、接地线26、第二气孔27、催化剂层31、加热片32、热电偶33、温控仪34、后端面35、出气口36。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步详细说明。
如图1所示,一种内嵌紫外灯管的双介质阻挡放电有机废气处理装置,装置的外壳为筒体11,筒体11内部由第一隔板13和第二隔板25分割为三个腔室,中间为双介质阻挡放电区2,左侧为紫外照射区1,右侧为加热分解区3。紫外照射区1左端和加热分解区3右端分别以前端面12和后端面35密封。第一隔板13上设有第一气孔16,第二隔板25上设有第二气孔27。紫外照射区1外壁上设有进气口15,加热分解区3外壁上设有出气口36。紫外照射区1和双介质阻挡放电区2中设置有紫外灯管14。紫外灯管14与紫外灯电源17相连,进行供电。双介质阻挡放电区2所在的筒体11内壁上环绕有第一层介质阻挡层23。双介质阻挡放电区2所在的筒体11外壁上环绕有一圈金属导电层24。金属导电层24与接地线26相连接地。双介质阻挡放电区2内的紫外灯管14作为第二层介质阻挡层,紫外灯管14外壁缠绕有烧结多孔金属纤维丝21,烧结多孔金属纤维丝21上面负载有TiO2光催化剂。烧结多孔金属纤维丝21既作为介质阻挡放电的放电电极,又作为光催化剂。烧结多孔金属纤维丝21一端从第一隔板13内部穿出筒体与等离子体高压电源22相连,另一端固定在第二隔板25上。热分解区3的所有内壁上覆有一层催化剂层31,用于催化分解O3。催化剂层31上设有加热片32。加热分解区3还接有一个热电偶33,加热片32和所述的热电偶33均与筒体11外面的温控仪34相连。
所述的筒体11呈圆柱形,材质为有机玻璃;所述的紫外灯管14设置在紫外照射区1和双介质阻挡放电区2的轴中心位置,紫外灯管可均匀照射装置内的各个部位。同一根紫外灯管14穿过第一隔板13,穿孔处密闭,两端分别固定在前端面12和后端面35上,用于照射有机废气,产生的O3,对有机废气进行预氧化。
所述的第一气孔16设置于第一隔板13上部,所述的第二气孔27设置于第二隔板25下部,所述的进气口15设置于紫外照射区1左下部,所述的出气口36设置于加热分解区3右上部,使废气在装置内的停留时间增加,以提高去除率。
所述的第一层介质阻挡层23的材料为陶瓷或石英玻璃。所述的金属导电层24的材料为金属片或金属网。所述的催化剂层31表面设有支撑架,支撑架为带孔透气结构,支撑架内填充有臭氧分解催化剂。所述的臭氧分解催化剂为MnO2、NiO、Fe2O3或CeO2中的一种。所述的紫外灯管14的波长范围为185~400nm。所述的烧结多孔金属纤维丝21的材质为不锈钢、FeCrAl、FeCrNi或NiCr合金中的一种。
一种使用所述装置的双介质阻挡放电有机废气处理方法,包括如下步骤:
1)有机废气从进气口15进入紫外照射区1,打开紫外灯电源17,开启紫外灯管14,气体在紫外线的作用下产生的O3,对有机废气进行预氧化;
2)经过步骤1)处理后的VOCs气体通过第一隔板13上的第一气孔16进入双介质阻挡放电区2;以双介质阻挡放电区2所在的筒体11内壁上环绕的陶瓷或石英玻璃作为第一层介质阻挡层23,以双介质阻挡放电区2内的紫外灯管14作为第二层介质阻挡层,构成双介质阻挡放电***;开启等离子体高压电源22,放电电压控制在20~50kV;VOCs气体在双介质阻挡放电下产生高能电子、O3、·O、·OH和HO2等活性粒子;同时,利用负载在烧结多孔金属纤维丝21放电极上的TiO2光催化剂在紫外光的照射下对VOCs气体进行光催化反应;通过双介质阻挡放电和光催化的协同作用下,对VOCs分子进行氧化分解;
3)经过步骤2)处理后的气体通过第二隔板25上的第二气孔27进入加热分解区3,通过热电偶33测定加热分解区3内的气体温度,并通过温控仪34控制加热片32,将加热分解区3的气体温度控制在50~80℃;同时将催化剂层31作为保温层,对加热分解区3进行保温,并通过催化剂层31内填充的臭氧分解催化剂进行催化反应,分解气体中残留的少量O3,处理后的气体最终通过出气口36排放。
实施例1:
利用本实用新型所述的内嵌紫外灯管的双介质阻挡放电有机废气处理装置,对常见的VOCs二甲苯(C8H10,喷漆废气典型污染物)进行处理,废气的流量为1000mL/min,紫外灯管波长254nm,放电极采用FeCrAl烧结多孔金属纤维丝,负载的光催化剂为纳米级TiO2,粒径为10nm,其微观结构如图2所示。第一层介质阻挡层采用陶瓷材料,金属导电层采用金属铝网,加热分解区温度控制在70℃,催化剂层内填充的是MnO2催化剂。在单独光催化***、单独等离子体***和等离子体协同光催化***三种不同的处理条件下,二甲苯的降解率如表1所示,在单独光催化***和单独等离子体***中,二甲苯的降解率分别仅有56.8%和43.5%,而在等离子体协同光催化***下,二甲苯降解率提高到了88.3%,协同作用效果明显。在等离子体协同光催化***下,不开启加热分解区和开启加热分解区,O3的出口浓度如表2所示,当不开启加热分解区时,出口O3浓度较高,开启加热分解区后,出口O3浓度下降明显,大大减轻了O3所产生的二次污染问题。
表1三种不同的处理***下二甲苯的降解率比较
表2处理二甲苯加热分解区开启和关闭下臭氧的出口浓度比较
实施例2:
本实施例中,有机废气处理装置与实施例1完全相同。处理的污染物为乙酸丁酯(CH3COO(CH2)3CH3,喷漆废气典型污染物),废气的流量为1000mL/min。在单独光催化***、单独等离子体***和等离子体协同光催化***三种不同的处理条件下,乙酸丁酯的降解率如表3所示,在单独光催化***和单独等离子体***中,乙酸丁酯的降解率分别仅有28.8%和43.1%,而在等离子体协同光催化***下,乙酸丁酯降解率达到了90.3%,提高明显。在等离子体协同光催化***下,不开启加热分解区和开启加热分解区,O3的出口浓度如表4所示,当不开启加热分解区时,出口O3浓度较高,开启加热分解区后,出口O3浓度下降明显,
大大减轻了O3所产生的二次污染问题。
表3三种不同的处理***下乙酸丁酯的降解率比较
表4处理乙酸丁酯加热分解区开启和关闭下臭氧的出口浓度比较
Claims (9)
1.一种内嵌紫外灯管的双介质阻挡放电有机废气处理装置,其特征在于,装置的外壳为筒体(11),筒体(11)内部由第一隔板(13)和第二隔板(25)分割为三个腔室,中间为双介质阻挡放电区(2),左侧为紫外照射区(1),右侧为加热分解区(3);紫外照射区(1)左端和加热分解区(3)右端分别以前端面(12)和后端面(35)密封;第一隔板(13)上设有第一气孔(16),第二隔板(25)上设有第二气孔(27);紫外照射区(1)外壁上设有进气口(15),加热分解区(3)外壁上设有出气口(36);紫外照射区(1)和双介质阻挡放电区(2)中设置有紫外灯管(14);紫外灯管(14)与紫外灯电源(17)相连,进行供电;双介质阻挡放电区(2)所在的筒体(11)内壁上环绕有第一层介质阻挡层(23);双介质阻挡放电区(2)所在的筒体(11)外壁上环绕有金属导电层(24);金属导电层(24)与接地线(26)相连接地;双介质阻挡放电区(2)内的紫外灯管(14)作为第二层介质阻挡层,紫外灯管(14)外壁缠绕有烧结多孔金属纤维丝(21),烧结多孔金属纤维丝(21)上面负载有TiO2光催化剂,并作为介质阻挡放电的放电极,烧结多孔金属纤维丝(21)一端与等离子体高压电源(22)相连;热分解区(3)的所有内壁上覆有催化剂层(31),用于催化分解O3;催化剂层(31)上设有加热片(32);加热分解区(3)还接有一个热电偶(33),加热片(32)和所述的热电偶(33)均与筒体(11)外面的温控仪(34)相连。
2.如权利要求1所述的内嵌紫外灯管的双介质阻挡放电有机废气处理装置,其特征在于,所述的筒体(11)呈圆柱形;所述的紫外灯管(14)设置在紫外照射区(1)和双介质阻挡放电区(2)的轴中心位置,紫外灯管(14)穿过第一隔板(13),两端分别固定在前端面(12)和后端面(35)上。
3.如权利要求1所述的内嵌紫外灯管的双介质阻挡放电有机废气处理装置,其特征在于,所述的第一气孔(16)设置于第一隔板(13)上部,所述的第二气孔(27)设置于第二隔板(25)下部,所述的进气口(15)设置于紫外照射区(1)左下部,所述的出气口(36)设置于加热分解区(3)右上部。
4.如权利要求1所述的内嵌紫外灯管的双介质阻挡放电有机废气处理装置,其特征在于,所述的第一层介质阻挡层(23)的材料为陶瓷或石英玻璃。
5.如权利要求1所述的内嵌紫外灯管的双介质阻挡放电有机废气处理装置,其特征在于,所述的金属导电层(24)的材料为金属片或金属网。
6.如权利要求1所述的内嵌紫外灯管的双介质阻挡放电有机废气处理装置,其特征在于,所述的催化剂层(31)表面设有支撑架,支撑架内填充有臭氧分解催化剂。
7.如权利要求6所述的内嵌紫外灯管的双介质阻挡放电有机废气处理装置,其特征在于,所述的臭氧分解催化剂为MnO2、NiO、Fe2O3或CeO2中的一种。
8.如权利要求1所述的内嵌紫外灯管的双介质阻挡放电有机废气处理装置,其特征在于,所述的紫外灯管(14)的波长范围为185~400nm。
9.如权利要求1所述的内嵌紫外灯管的双介质阻挡放电有机废气处理装置,其特征在于,所述的烧结多孔金属纤维丝(21)的材质为不锈钢、FeCrAl、FeCrNi或NiCr合金中的一种。
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