一种气相光解-液相光催化氧化净化挥发性有机物的方法及装置

摘要

本发明公开了一种气相光解-液相光催化氧化净化挥发性有机物的方法和装置。本发明方法包括如下步骤：S1.气相光解：将挥发性有机物在紫外光条件下照射，光解时间＜1s，反应产生臭氧，与光解后的残留气体组成混合气；S2.液相光催化：将S1得到的混合气与催化剂浆液进行逆向气液接触，充分反应，混合气转化为CO2和H2O。本发明将气相光解与液相光催化氧化有效结合起来，两个步骤相互影响，协同作用，无法分割。所述方法从根本上解决气-固光催化表面中间产物沉积导致的催化剂失活以及VOCs液相吸收效率低等问题，通过高能紫外光解、液相光催化和臭氧催化氧化等多种过程协同作用，减少中间产物的产生与积累，实现有机废气高效稳定的降解。

说明书

技术领域

本发明属于气体污染物处理领域，具体地，涉及一种气相光解-液相光催化氧化净化挥发性有机物的方法及装置。

背景技术

随着我国城市化和工业化进程的快速推进，有机废气的排放量日益增多，空气污染日趋严重，环境空气中的挥发性有机物（VOCs）大幅提升。挥发性有机物（VOCs）是我国大气关键污染物PM2.5和O₃形成的重要前体物，易与其它大气污染物相互耦合，所形成的新污染物难以自然分解，危害更为持久。此外，其还能参与光化学反应，导致光化学烟雾污染。有机废气往往带有恶臭,不仅对人体和各种感官有刺激作用，而且具有一定的毒性，对人体健康造成极大的危害。有机废气的消除治理是一项紧迫而重要的工作，成为当前研究的难点与热点。

目前应用较多的工艺如活性炭吸附、催化燃烧等在实际使用过程中仍存在一定局限，难以满足日益严格的排放法规及人民群众对改善空气质量的迫切要求。如吸附法并不能根本上消除污染物，其脱附设备、控制系统及脱附运行成本高，吸附剂饱和后需要再生或者更换。催化燃烧通常以贵金属为催化剂，成本高；在高温环境进行存在安全隐患且催化剂易失活；有机废气浓度较低需要外部热量来维持燃烧。

光催化技术是近年来得到广泛关注，能在室温光照下分解有机物，具有氧化能力强、反应条件温和等优势，是一种比较有前景的技术。然而常用的气/固光催化氧化挥发性有机物过程中会产生醛、酮、酸和酯等中间产物，不仅造成二次污染，而且中间产物覆盖在催化活性位会导致催化剂效率下降甚至完全失活，且净化后气体残余臭氧等副产物。这些问题成为制约该技术进一步发展和应用的瓶颈。为提高光催化降解效率、有效解决催化剂失活以及消除臭氧副产物，需对气/固光催化氧化有机废气体系进行变革。

发明内容

本发明针对现有技术中有机废气处理技术的不足，在气/固光催化的基础上提出一种气相光解-液相光催化氧化净化挥发性有机物的新方法，该方法将气相光解与液相光催化有效结合，通过在液相中加入催化剂，使得挥发性有机物经光解后进入液相中并发生光催化氧化、臭氧氧化等反应，最终实现有机废气高效稳定的降解。

本发明的另一目的在于提供一种气相光解-液相光催化氧化净化挥发性有机物的装置。

本发明的上述目的是通过以下技术方案予以实现的。

一种气相光解-液相光催化氧化净化挥发性有机物的方法，包括如下步骤：

S1.气相光解：将挥发性有机物在紫外光条件下照射，光解时间＜1s，反应产生臭氧，与光解后的残留气体组成混合气；

S2.液相光催化：将S1得到的混合气与催化剂浆液进行逆向气液接触，充分反应，混合气转化为CO₂和H₂O；

所述催化剂浆液以水为介质，加入TiO₂或经过渡金属Mn、Cu、Co或Ni改性后的TiO₂；其中，过渡金属改性TiO₂的方法为：以含过渡金属的盐为前驱体，采用浸渍法，将其水溶液与TiO₂粉末的水溶液混匀后，80~120℃烘干，然后在300~550℃的条件下焙烧，得到所述改性TiO₂。

现有研究表明，液相光催化降解水中有机物相比于气-固光催化净化挥发性有机物，其催化稳定性好。这可能是因为液相中催化剂表面由于水洗作用，保持较高的活性。单独使用气相光解，挥发性有机物降解效率低，且产生大量中间产物，产生的臭氧直接排放会造成污染，而液相光催化用于废水中挥发性有机物的处理较多，气体挥发性有机物主要用气固光催化，将二者结合是考虑到液相中的降解速率高于气相，且一些光解产物易溶于水，再者液相中的催化剂由于水洗作用，中间产物不会像气固光催化那样积累在催化剂表面，导致催化剂失活。

挥发性有机物首先在紫外光作用下进行高能紫外光解，一部分挥发性有机物被光解，同时该过程产生一定量的O₃，其中被光解的一部分挥发性有机物的光解产物包括醛、酸等中间产物；经光解后的混合气（包括挥发性有机物、光解产物、臭氧）与催化剂浆液进行气液接触，此时挥发性有机物及其产物除了向液相中转移外，还会由于催化剂浆液的吸附作用加快向溶液及催化剂固体颗粒中扩散，然后在紫外光、光催化剂及臭氧的作用下，挥发性有机物及其中间产物在液相中发生光催化氧化以及臭氧催化氧化等过程，最终转变为CO₂和H₂O排出。步骤S1紫外光解产生的臭氧能强化后续的液相光催化氧化步骤，产生更多的高活性氧物种，进而提高挥发性有机物净化效率并延缓催化剂失活，减少臭氧污染的同时实现了臭氧利用，化害为利；在步骤S2过程中由于降解作用的存在，液相中的挥发性有机物不断被降解，可有效促进挥发性有机物向液相中转移，加快了液相的吸收效率，最终实现挥发性有机物的高效净化。

本发明将气相光解与液相光催化氧化有效结合起来，两个步骤相互影响，协同作用，无法分割。所述方法从根本上解决气-固光催化表面中间产物沉积导致的催化剂失活以及VOCs液相吸收效率低等问题，通过高能紫外光解、液相光催化和臭氧催化氧化等多种过程协同作用，减少中间产物的产生与积累，实现有机废气高效稳定的降解。此外，该方法充分利用紫外光能使其同时为气相光解、液相光催化氧化提供能量，而且气相光解过程中产生的臭氧也可在液相催化剂作用下强化VOCs氧化。

所述的催化剂浆液以水为介质，加入二氧化钛或经过渡金属改性后的二氧化钛混合而成，比普通的二氧化钛具有更强的光催化活性，在紫外灯激发下催化剂和水能产生更多强氧化性的自由基，提高体系氧化能力，可无选择性地分解难降解污染物为二氧化碳和水，具有强有机废气吸附性能、高臭氧利用效率以及高光催化活性。本发明方法具有净化效率高、反应温和、过程简单、性能稳定以及经济等诸多优点，其能为挥发性有机物治理提供一种新的高效经济的解决方案。

优选地，S2使用后的催化剂浆液经收集后再生使用。

优选地，含过渡金属的盐为有机醋酸盐或无机硫酸盐。

优选地，所述过渡金属的负载量为1%~5%。

优选地，S1所述紫外光的波长为185nm。

本发明还提供一种基于上述方法的气相光解-液相光催化装置，包括气相光解室、液相光催化喷淋塔及液体回收再生箱，所述液相光催化喷淋塔内自下而上依次设有废气进气装置、滤球层、吸收液喷淋装置和气体排放口，所述液相光催化喷淋塔的下部与液体回收再生箱的上部相连，所述液体回收再生箱通过送液管道、循环泵与吸收液喷淋装置相连；所述液相光催化喷淋塔内还设有紫外灯和气相光解室，液相光催化喷淋塔内的紫外灯设置于滤球层和气体排放口之间，所述吸收液喷淋装置的末端设有若干个雾化喷嘴，所述气相光解室包括石英玻璃套管和设于其内的紫外灯，所述石英玻璃套管分别与进气口及废气进气装置相连。

使用时，液体回收再生箱内装有催化剂浆液，该催化剂浆液通过循环泵、送液管道和吸收液喷淋装置从液相光催化喷淋塔顶部以喷雾形式喷出。当废气从进气口经气相光解室光解后，再经废气进气装置通入液相光催化喷淋塔，通过滤球层的废气与喷雾逆向接触，进行液相光催化氧化步骤，将大部分废气转为无害的小分子化合物，小部分中间产物转移到催化剂将野种，液相光催化进一步彻底氧化降解，且在液体回收再生箱内原位同步处理后的催化剂浆液继续循环使用。所述液相光催化喷淋塔和气相光解室内均设有紫外灯，气相光解室内的紫外灯不仅可用于气相光解，由于气相光解室为石英玻璃套管，其内紫外灯还可对液相光催化喷淋塔内的液相光催化过程发挥作用，从而利于减少紫外灯的数量，节能高效。

优选地，所述液相光催化喷淋塔、气相光解室内的紫外灯均设有若干个，均为185nm的真空紫外灯。

优选地，所述液相光催化喷淋塔内的紫外灯呈环形分布。更优选地，液相光催化喷淋塔内的紫外灯形成一级或多级环形阵列，即可在喷淋塔内形成一层或多层环形，最外层的紫外灯沿喷淋塔内壁均匀分布。

优选地，所述气相光解室设有若干个相互平行的石英玻璃套管，石英玻璃套管之间通过管道连通，其内分别设有紫外灯。

优选地，所述气相光解室设于废气进气装置内。

优选地，所述吸收液喷淋装置包括若干条溶液支管，所述溶液支管均与送液管道连通。更优选地，所述溶液支管上设有支管控制阀，用于控制所述吸收液喷淋装置的流量大小和雾化效果。

优选地，所述雾化喷嘴采用不锈钢精细雾化喷嘴，雾化颗粒达50-100μm，还可防止被吸收液腐蚀。根据废气的种类、水溶性、流量和浓度等，优选地，所述雾化喷嘴的口径为1-3mm，保证催化剂颗粒顺利通过而不发生堵塞。优选地，所述雾化喷嘴设有放射状的喷雾管道，喷雾呈放射状喷出，更利于与废气充分接触。

优选地，所述废气进气装置上设有若干个出气通道，所述出气通道与所述雾化喷嘴的位置相对应。所述出气通道为朝上正对雾化喷嘴，或朝下与雾化喷嘴的方向一致。作为一种实施方式，所述出气通道为出气孔，所述出气孔与所述雾化喷嘴的数量相等，位置相对应。作为另一种实施方式，所述废气进气装置设有喇叭形的导气盘，所述导气盘开口朝下且内部设置若干层出气通道。

优选地，所述液相光催化喷淋塔内的紫外灯长度为1200mm-1800mm，根据所述喷淋塔的高度进行调整，保证了所述喷淋塔内全方位被紫外光照射。

优选地，所述滤球层以聚丙烯滤球为填料，高度为10cm-30cm。

优选地，所述吸收液喷淋装置的上方设有除雾器，所述除雾器采用旋流板式除雾器或者平板式除雾器。

优选地，所述送液管道上设有送液控制阀。

优选地，所述液相光催化喷淋塔上设有检修窗。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：本发明将气相光解与液相光催化相结合，其中气相光解除了降解一部分有机废气外，还可产生臭氧用于臭氧氧化降解有机废气，提高有机废气的降解率，此外光解产生的中间产物为可溶性，有利于其进一步降解。而液相光催化克服了传统气/固光催化反应中催化剂易失活的问题，由于液相中的水洗作用，中间产物水洗脱离催化剂表面，使得光催化高效稳定进行，加之液相中强吸附性、高臭氧利用率及高光催化活性催化剂的使用可实现挥发性有机物有机废气高效稳定的降解，最终实现并挥发性有机物能实现无害化。且该方法常温下即可进行，反应过程温和且简单，具有较高的经济效益。

附图说明

图1为实施例3装置的整体结构示意图。

图2为实施例3所述废气进气装置的导气盘。

图3所述导气盘出口仰视图。

图4为实施例4装置的整体结构示意图。

图注：1-液相光催化喷淋塔；2-循环泵；3-气相光解室；4-光解室紫外灯；5-送液管道；6-送液控制阀；7-检修窗；8-喷淋塔紫外灯；9-吸收液喷淋装置；10-雾化喷嘴；11-滤球层；12-除雾器；13-废气进气装置；14-气体排放口；15-液体回收再生箱；16-导气盘。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

一种气相光解-液相光催化氧化净化挥发性有机物的方法，包括如下步骤：

S1.实验采用1根紫外灯，将浓度为15~50ppm的挥发性有机物苯按流速1L/min、湿度50%，在185nm波长的紫外灯照射条件下气相光解0.5s，反应产生臭氧，与光解后的残留气体组成混合气；

S2.将经气相光解的混合气通入液相光催化喷淋塔，催化剂浆液TiO₂（P25）从上向下，混合气由下向上，二者逆向进行气液接触，在真空紫外灯的照射下经过液相吸收、紫外光催化氧化、臭氧催化氧化过程，VOCs最终被转化为CO₂和H₂O，经出气口排出，在出气口对苯及CO₂浓度进行检测。

经检测，反应后苯的降解效率为84%，矿化率为79%，臭氧的出口浓度不足100ppm，仅采用液相光催化时其出口臭氧浓度达到150ppm以上，且其降解率和矿化率均低于气相光解-液相光催化净化挥发性有机物。

实施例2

一种气相光解-液相光催化氧化净化挥发性有机物的方法，包括如下步骤：

S1.实验采用1根紫外灯，将浓度为15~50ppm的挥发性有机物苯按流速1L/min，湿度为50%，在254nm波长的真空紫外灯照射条件下气相光解0.8s，反应产生臭氧，与光解后的残留气体组成混合气；

S2.将经气相光解的混合气通入液相光催化喷淋塔，催化剂浆液为经过Mn改性后的TiO₂（P25）（Mn负载量分别为0.1%、1%、3%和5%），催化剂浆液从上向下，混合气由下向上，二者逆向进行气液接触，在真空紫外灯的照射下经过液相吸收、紫外光催化氧化、臭氧催化氧化过程，VOCs最终被转化为CO₂和H₂O，经出气口排出，在出气口对苯及CO₂浓度进行检测。

经检测，当Mn负载量为0.1%时，苯的降解效率最优为89%，矿化率为85%，但此时出口臭氧浓度较高。综合考察光催化氧化净化效果及出口臭氧的浓度，Mn负载量分别为1~3%较为适宜。当Mn负载量为3%时，其臭氧的出口浓度最低，为50ppm。

实施例3

本实施例提供一种基于上述方法的气相光解-液相光催化装置，如图1~3所示，包括气相光解室3、液相光催化喷淋塔1及液体回收再生箱15，所述液相光催化喷淋塔1内自下而上依次设有废气进气装置13、滤球层11、吸收液喷淋装置9、除雾器12和气体排放口14，所述液相光催化喷淋塔1的下部与液体回收再生箱15的上部相连，所述液体回收再生箱15通过送液管道5、循环泵2与吸收液喷淋装置9相连。所述吸收液喷淋装置9包括若干条溶液支管，所述溶液支管均与送液管道5连通，所述溶液支管上设有支管控制阀，用于控制所述吸收液喷淋装置的流量大小和雾化效果。所述吸收液喷淋装置9的末端设有若干个不锈钢精细雾化喷嘴10，雾化颗粒达50-100μm，还可防止被吸收液腐蚀。所述废气进气装置13设有喇叭形的导气盘16，所述导气盘16开口朝下且内部设置若干层出气通道。所述出气通道为朝下与雾化喷嘴10的方向一致。所述滤球层11以聚丙烯滤球为填料，高度为10cm-30cm。所述送液管道5上设有送液控制阀6。所述液相光催化喷淋塔1上设有检修窗7。

更具体地，所述废气进气装置13包括相互连通的进气口、石英玻璃套管和导气盘16。所述气相光解室3设于滤球层11和液体回收再生箱15之间，由石英玻璃套管和设于其内的若干根水平的185nm光解室紫外灯4组成。所述液相光催化喷淋塔1内还竖直设有若干根185nm喷淋塔紫外灯8，喷淋塔紫外灯8设置于滤球层11和气体排放口14之间。所述液相光催化喷淋塔1内的喷淋塔紫外灯8长度为1200mm-1800mm，根据所述喷淋塔的高度进行调整，保证了所述喷淋塔内全方位被紫外光照射。

使用时，废气通过废气进气装置13的进气口进入气相光解室3，经过光解室紫外灯4的气相光解作用后，再通过导气盘16进入液相光催化喷淋塔1内，与催化剂浆液喷雾逆向接触，进行液相光催化氧化步骤。所述液相光催化喷淋塔1和气相光解室3内均设有紫外灯，气相光解室3内的光解室紫外灯4不仅可用于气相光解，由于气相光解室3为石英玻璃套管，其内紫外灯还可对液相光催化喷淋塔1内的液相光催化过程发挥作用，从而利于减少紫外灯的数量，节能高效。

实施例4

本实施例提供的气相光解-液相光催化装置大体与实施例3相同，如图4所示，不同之处在于，所述石英玻璃套管和光解室紫外灯4均为竖直设置，所述气相光解室3设有两个相互平行的石英玻璃套管，之间通过管道连通，两个石英玻璃套管内分别设有光解室紫外灯4，石英玻璃套管之间通过管道连通，其内分别设有光解室紫外灯4。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。