CN209968113U - 一种催化协同去除不同溶解度VOCs的多相放电*** - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及VOCs处理领域，具体是涉及一种催化协同去除不同溶解度VOCs的多相放电***，包括密闭的反应腔室、反应池和介质阻挡放电装置，所述反应腔室具有进气口和出气口，所述反应池的池口位于反应腔室内，所述反应池内具有碱性溶液，所述介质阻挡放电装置包括了位于反应池正上方且位于反应腔室内的高压电极以及位于高压电极与反应池池口之间的阻挡介质，所述反应池直接接地以作为该介质阻挡放电装置的低压电极；所述反应池液面上还盖有催化剂网，该催化剂网包括了网状的载体，载体的上表面上具有VOCs气相反应催化剂，载体的下表面上具有VOCs液相反应催化剂，以同时去除可溶性和难溶性VOCs。

Description

一种催化协同去除不同溶解度VOCs的多相放电***

技术领域

本实用新型涉及VOCs处理领域，具体是涉及一种催化协同去除不同溶解度VOCs的多相放电***。

背景技术

挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds，VOCs)是大气污染的重要组成，排放来源复杂，污染物种类繁多。其中工业源VOCs排放最多，终端治理技术是VOCs污染控制中的重要环节。

然而VOCs成分复杂，浓度及流量范围宽，而传统VOCs处理技术效率低，成本高，过程复杂，工业应用受到限制。目前常用技术包括吸收法、热分解法、催化氧化法、膜分离法等，但这些常用治理技术在处理复合VOCs时具有局限性。如吸附法的活性炭易饱和和会产生微废；热分解法和催化氧化法都是在高温环境中进行，对设备的要求高；膜分离法则中间产物较多，不易处理；光催化的汞灯寿命短，而且反应过程中有气溶胶产生，会降低汞灯的透光率，影响光催化反应，另外，汞灯也属于微废难处理。

低温等离子体(Non-thermal plasma，NTP)技术，利用高能电子与气体分子发生非弹性碰撞，通过激发、离解、电离等过程产生的大量活性粒子能够彻底分解有机污染物，已有在VOCs处理中应用，但对工业生产中常常生成的溶解度不同VOCs的治理效果仍然不佳。

申请人在研究中发现协同催化能够提高复合VOCs的去除率，抑制副产物的生成，降低能耗。针对工业生产中常常生成的溶解度不同VOCs的治理效果不佳问题，设计了非均相等离子体协同催化处理***，有效去除复合型有机污染，同时避免产生气溶胶等副产物，本申请案由此而来。

实用新型内容

本实用新型旨在提供一种催化协同去除不同溶解度VOCs的多相放电***，该多相放电***在气相和液相上同时对VOCs进行处理，可同时去除不同溶解度的VOCs。

具体方案如下：

一种催化协同去除不同溶解度VOCs的多相放电***，包括密闭的反应腔室、反应池和介质阻挡放电装置，所述反应腔室具有进气口和出气口，所述反应池的池口位于反应腔室内，所述反应池内具有碱性溶液，所述介质阻挡放电装置包括了位于反应池正上方且位于反应腔室内的高压电极以及位于高压电极与反应池池口之间的阻挡介质，所述反应池直接接地以作为该介质阻挡放电装置的低压电极；所述反应池液面上还盖有催化剂网，该催化剂网包括了网状的载体，载体的上表面上具有VOCs气相反应催化剂，载体的下表面上具有VOCs液相反应催化剂。

进一步的，所述催化剂网漂浮于反应池内的碱性溶液的液面上。

进一步的，所述VOCs气相反应催化剂包含至少一种过渡金属离子。

进一步的，所述VOCs液相反应催化剂为芬顿反应催化剂。

进一步的，所述催化剂网的载体由Al₂O₃制成。

进一步的，所述碱性溶液为NaHCO₃水溶液，其pH值为8～9。

进一步的，所述反应池还连接有pH值检测仪和循环装置，所述pH值检测仪能够检测反应池内的碱性溶液的pH值，所述循环装置能够对反应池的碱性溶液进行循环补充。

本实用新型提供的催化协同去除不同溶解度VOCs的多相放电***与现有技术相比较具有以下优点：

1、本实用新型提供的多相放电***采用非均相等离子体协同催化处理***，在对气体放电的同时，也对溶液池水面放电，可以同时处理不同溶解度的VOCs，以提高复合VOCs的去除率，抑制副产物的生成和降低能耗。

2、常规DBD(介质阻挡放电)处理VOCs的过程中产生有机酸等中间产物，有机酸进一步降解也需要耗费能量，本实用新型先将其降解为有机酸后用简单便宜的化学法进行后续降解，总体上降低能耗。

3、常规复合型VOCs处理常采用洗气作为主要步骤，但洗气废水无法处理，本实用新型通过对溶液池水面放电，在去除VOCs的同时也解决了废水的处理问题。

4、由于常规气相介质阻挡放电产生的主要活性物质为臭氧，而本实用新型中气液放电产生的活性物质除了臭氧外还包括大量的羟基自由基·OH和过氧化氢，羟基自由基与臭氧相比具有更强的氧化性，而且与有机污染物反应速率更快。

5、常规DBD(介质阻挡放电)处理VOCs的方法和装置中，为了增加羟基自由基的产生量常常使用外加水蒸气的方式，本实用新型利用气液同时放电，无需外加水蒸气产生装置。

附图说明

图1示出了多相放电***的示意图。

图2示出了催化剂网的示意图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本实用新型提供有附图。这些附图为本实用新型揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本实用新型的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。

如图1所示，本实用新型提供了一种催化协同去除不同溶解度VOCs的多相放电***，该多相放电***包括密闭的反应腔室10、反应池20和介质阻挡放电装置30，所述反应腔室10具有进气口100和出气口110，所述反应池20的池口位于反应腔室10内，所述反应池20内具有碱性溶液，碱性溶液能够将废气中的一些可溶性VOCs吸收。所述介质阻挡放电装置30包括了位于反应池20池口正上方且位于反应腔室10内的高压电极300以及位于高压电极300与反应池池口之间的阻挡介质310，所述反应池20直接接地以作为该介质阻挡放电装置的低压电极。

其中，反应腔室10和阻挡介质均由绝缘材料制成，例如聚甲基丙烯甲酯。高压电极和低压电极之间施加交流电压由交流高压电源提供，其两电极之间的放电间隙(即高压电极与反应池20内的碱性溶液液面之间的间距)介于3～10mm，此时放电电压约为10kV～40kV。

另外，参考图1和图2，所述反应池20液面上还盖有催化剂网40，该催化剂网40包括了网状的载体400，载体的上表面上涂覆有VOCs气相反应催化剂410，载体的下表面上涂覆有VOCs液相反应催化剂420。载体400采用具有良好的化学稳定性能的材料制成，例如陶瓷、石英等，VOCs气相反应催化剂410可以是包括例如Ti、Pt、Pd、Mn、Co、Ce等过渡金属离子的催化剂，VOCs液相反应催化剂420可以是过渡金属离子催化剂，如Fe²⁺、Cu²⁺。该催化剂网40不仅可以加速VOCs的分解，而且还可以解决气流吹动水面造成放电不稳定的问题。其中较佳的，催化剂网40漂浮于反应池20内的碱性溶液的液面上，即催化剂网40的下方直接与碱性溶液接触，上方则位于碱性溶液的液面上。

在介质阻挡放电装置30进行放电时，不仅会对两电极之间的气体放电，而且也会对反应池20水面放电。在气相上，VOCs在放电气隙内被放电产生的强氧化性粒子直接降解，其中反应生成的臭氧被吸附在催化剂网40上，与催化剂网40上的VOCs气相反应催化剂410反应生成氧自由基引发链反应，加快了反应进程，提高其气相催化反应速率，以加速VOCs的分解；在液相上，介质阻挡放电装置30对反应池20水面放电产生过氧化氢，芬顿反应催化剂中的铜、铁等粒子与溶液中的过氧化氢发生芬顿反应，产生大量的羟基自由基，促进溶解性有机物的降解。

该多相放电***去除VOCs的机理为：在介质阻挡放电装置、催化剂网和碱性溶液的共同作用下，介质阻挡放电装置放电产生大量携能电子轰击污染物，使其电离、解离和激发，且同时对碱性溶液的水面放电，产生O₃和H₂O₂，期间引发一系列的复杂的物理、化学反应，使得VOCs中的大分子污染物转化成小分子有机物，最终生成CO₂和H₂O。

以VOCs中常见的难溶性气体甲苯以及可溶性气体乙酸乙酯为例来说明VOCs的简要机理：

e+O₂→2O+e

O+O₂→O₃

H₂O+e→OH^·+H^·+e

H₂O+e→2e+H₂O⁺

H₂O⁺+H₂O→OH^·+H₃O⁺

H₂O+e^-→OH^·+H^·+e^-

OH^·+OH^·→H₂O₂

H₂O₂+hv→2OH^·

其中，R＝H、CH3等。

即O₂和H₂O在介质放电下生产O₃和H₂O₂，甲苯和乙酸乙酯在介质放电、O₃、H₂O₂以及催化剂的作用下反应和分解，其中反应中间产物为多种有机酸，例如甲酸、乙酸等，反应生产的有机酸一部分被碱性溶液所吸收，其余部分在放电以及催化剂的作用下进一步被分解成CO₂和H₂O。

在本实施例中，较佳的，所述碱性溶液为NaHCO₃水溶液，其pH值为8～9。

在本实施例中，另一较佳的，所述反应池20还连接有pH值检测仪50和循环装置(图中为未示出)，所述pH值检测仪50能够检测反应池20内的碱性溶液的pH值，所述循环装置能够对反应池20的碱性溶液进行循环补充，例如当反应池20内的碱性溶液的pH值低于8时，循环装置(通常为循环泵)将外部存储的碱性溶液泵入至反应池20以对反应池20的碱性溶液进行循环补充。

本实用新型提供的VOCs处理***在对VOCs进行处理时，一部分水溶性的VOCs气体直接被碱性溶液吸收，一部分被介质阻挡放电产生的等离子体直接分解，而反应产生的臭氧被吸附在催化剂网40上，与催化剂网40上的VOCs气相反应催化剂410反应生成氧游离基引发链反应，加速了VOCs的分解，芬顿反应催化剂中的铜、铁粒子与溶液中的过氧化氢发生芬顿反应，产生大量的羟基自由基，也促进VOCs的降解，从而使得该VOCs处理***可同时去除可溶性和难溶性VOCs，具有良好的VOCs处理效率。

实例1

本实例的试验条件如下：

以极微溶于水的甲苯作为难溶性VOCs、乙酸乙酯作为可溶性的VOCs，以氮气、空气作为载气；

放电间隙为5mm，放电电压为24KV；

碱性溶液为NaHCO₃水溶液，其中NaHCO₃水溶液的pH值为9。

试验步骤如下：

(1)、用氮气分别通过装有甲苯、乙酸乙酯的密封瓶中，形成高浓度的甲苯、乙酸乙酯气体，在到混合瓶中与空气混合，形成VOCs气体；

(2)将VOCs气体以流量为1.2L/min的速度通入至上述的VOCs处理***中进行处理，待气体流量稳定后进行介质放电，在介质放电30min后，从VOCs处理***的进气口和出气口分别进行采样，然后用气相色谱分析其中甲苯和乙酸乙酯的浓度。

其中，根据气相色谱分析得到进气口的甲苯的浓度为51.43ppm、乙酸乙酯的浓度为26.74ppm；介质放电30min后出气口的甲苯的浓度为4.19ppm、乙酸乙酯的浓度为1.32ppm，根据上述进气口和出气口中甲苯和乙酸乙酯的溶度可计算出上述的VOCs处理***对甲苯的去除率为91.85％，对乙酸乙酯的去除率为95.06％。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本实用新型，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本实用新型做出各种变化，均为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种催化协同去除不同溶解度VOCs的多相放电***，其特征在于：包括密闭的反应腔室、反应池和介质阻挡放电装置，所述反应腔室具有进气口和出气口，所述反应池的池口位于反应腔室内，所述反应池内具有碱性溶液，所述介质阻挡放电装置包括了位于反应池正上方且位于反应腔室内的高压电极以及位于高压电极与反应池池口之间的阻挡介质，所述反应池直接接地以作为该介质阻挡放电装置的低压电极；所述反应池的液面上还盖有催化剂网，该催化剂网包括了网状的载体，载体的上表面上具有VOCs气相反应催化剂，载体的下表面上具有VOCs液相反应催化剂。

2.根据权利要求1所述的多相放电***，其特征在于：所述催化剂网漂浮于反应池内的碱性溶液的液面上。

3.根据权利要求1所述的多相放电***，其特征在于：所述VOCs气相反应催化剂包含至少一种过渡金属离子。

4.根据权利要求1所述的多相放电***，其特征在于：所述VOCs液相反应催化剂为芬顿反应催化剂。

5.根据权利要求1所述的多相放电***，其特征在于：所述催化剂网的载体由Al₂O₃制成。

6.根据权利要求1所述的多相放电***，其特征在于：所述碱性溶液为NaHCO₃水溶液，其pH值为8～9。

7.根据权利要求1所述的多相放电***，其特征在于：所述反应池还连接有pH值检测仪和循环装置，所述pH值检测仪能够检测反应池内的碱性溶液的pH值，所述循环装置能够对反应池的碱性溶液进行循环补充。

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