CN109011868A - 一种催化体系及其应用和净化方法以及净化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于有机废气净化领域，公开了一种催化体系及其应用和有机废气的净化方法以及净化系统。所述有机废气的净化方法包括将待净化的有机废气在催化体系的存在下进行光致热催化降解反应或光致光热协同催化降解反应，所述催化体系由深色催化材料和光源两部分组成，所述光源照射在深色催化材料上产生足够热量以引发热催化反应或光致光热协同催化反应。本发明提供的催化体系采用光源照射在深色催化材料表面自发产生足够热量以引发热催化反应或光致光热协同催化反应，不仅能够提高有机废气的净化效率，而且还能够实现高效节能。
Description
技术领域
本发明属于有机废气净化处理领域，具体涉及一种催化体系及其应用和有机废气的净化方法以及净化系统。
背景技术
VOCs是指在常温下饱和蒸汽压大于133.32Pa、常压下沸点在50-260℃的有机化合物，或者在常温常压下能挥发的任何有机固体或者液体。VOCs的危害主要包括两种：一种是直接危害，会刺激人类及动物呼吸系统，导致呼吸系统病变，而且很多种类的VOCs具有致癌、致畸、致突变的作用；另一种是次生危害，VOCs在空气中会引发一些光化学反应，造成雾霾以及光化学烟雾等灾害。
随着我国经济的不断发展与社会进步，VOCs的排放量也在不断增加，如果不经过有效处理，以无组织排放的方式释放到环境中去会对自然环境以及周边相关人员的身体健康造成严重的影响。为此，针对VOCs的处理研究一直是环境科学领域的热点问题，也是未来一段时期内的科研攻关。
目前VOCs的处理方法主要采用：冷凝法、吸附法、燃烧法等，它们在不同程度上存在设备投资高、运行成本高、处理气量小、工作不稳定、占用空间大、处理效率不高、存在二次污染等问题，具体如下：
(1)冷凝法：该方法适用于浓度高、温度低、风量小的废气处理，但该措施投资大、能耗高、运行费用大，因此对于喷涂作业中“三苯”污染治理一般不采用此法，且喷漆废气具有风量大、浓度低、漆雾多等特点，在进入冷凝工艺之前，必须设计相应的预处理工艺(去除漆雾颗粒物)，不然会堵塞冷凝器。
(2)吸附法：该方法适用于浓度低、污染物不需回收的废气处理。其中，活性炭为一种常用的吸附材料，但是单独的吸附工艺并不适用于长期净化有机废气，如果不配以再生模块，则活性炭需定期更换，运行费用很高。
(3)燃烧法：该方法能耗低、净化率高(95％-97％)、无二次污染、工艺简单、操作方便，适用于高温、高浓度、小风量的有机废气处理，不适用于针对低浓度、大风量的有机废气治理，而喷漆废气中的“三苯”浓度一般低于300-400mg/m3，因此采用直接燃烧法、催化燃烧法处理都不合适，且喷漆废气中含有很多漆雾颗粒物，必须做好预处理，如果直接进入燃烧模块，会使催化剂中毒、并产生爆炸的风险。
此外，吸附浓缩-催化燃烧法作为目前最实用的净化方法也已经被广泛采用，此时，在有机废气的处理过程中，其催化体系通常采用外加热源提供能量的热催化方式，而由此带来的高能耗使得有机废气净化的成本居高不下。
发明内容
本发明的目的是为了解决采用现有的热催化方式净化有机废气存在的以上问题，而提供一种新的催化体系及其应用和有机废气的净化方法以及净化系统。
本发明提供的催化体系由深色催化材料和光源两部分组成，所述光源照射在深色催化材料上产生足够热量以引发热催化反应或光致光热协同催化反应。
优选地，所述深色催化材料中的活性物质选自过渡金属氧化物、碳材料和贵金属材料中的至少一种。最优选地，所述深色催化材料中的活性物质为过渡金属氧化物、碳材料与过渡金属氧化物和/或贵金属材料的混合物或者贵金属与过渡金属氧化物和/或碳材料的混合物，此时以上几种活性物质能够起到非常完美的协同催化作用。所述过渡金属氧化物的具体实例包括但不限于：钛氧化物、钒氧化物、铬氧化物、锰氧化物、铁氧化物、钴氧化物、镍氧化物、铜氧化物、锌氧化物和钨氧化物中的至少一种。所述碳材料的具体实例包括但不限于：富勒烯、碳纤维、碳纳米管(CNT)、碳气凝胶、石墨烯和活性炭中的至少一种。所述贵金属材料的具体实例包括但不限于：金、银、钌、铑、钯、锇、铱和铂中的至少一种。当所述深色催化剂材料中的活性物质为贵金属材料时，需将贵金属材料负载在载体上之后再投入使用，其中，所述载体可以为上述过渡金属氧化物和/或碳材料(此时，这两种物质既起到活性组分作用，又起到载体作用)，也可以为其他不具有催化活性的载体。此外，当所述深色催化剂材料中的活性物质为贵金属材料时，所述贵金属的含量与其他活性物质和不具有催化活性的载体的总含量的重量比为优选1：(20-1000)。
优选地，所述光源选自紫外光、可见光、红外光中的至少一种或全光谱太阳光。
优选地，所述光源的光强为100-1500mW/cm2。
本发明还提供了所述催化体系在有机废气净化中的应用。
本发明还提供了一种有机废气的净化方法，其中，该方法包括将待净化的有机废气在上述催化体系的存在下进行光致热催化降解反应或光致光热协同催化降解反应。
根据本发明的一种优选实施方式，所述有机废气的净化方法包括以下步骤：
除尘：将待净化的有机废气进行过滤以将其中的颗粒物及粘性成分去除；
气体吸附：利用吸附材料对经除尘之后的有机废气中的有机物进行吸附浓缩；
催化降解反应：将经气体吸附浓缩之后的有机废气在上述催化体系中进行光致热催化降解反应或光致光热协同催化降解反应。
优选地，所述有机废气的净化方法还包括在所述催化降解反应之后的气体脱附步骤：将经所述催化降解反应之后所得的至少部分尾气返回至所述气体吸附步骤中，利用尾气余热使饱和的吸附材料脱附以实现吸附材料的再生，且脱附下来的已被浓缩的有机物引入所述催化体系中再次进行所述催化降解反应。此时，若所述尾气余热无法达到吸附材料的脱附温度，可使用外部加热使其脱附。其中，返回至所述吸附步骤中的尾气占总尾气量的1/3vol％以上，优选占(1/2-2/3)vol％，剩余部分尾气外排或者进入后续工序。所述气体脱附步骤能够利用尾气余热(如需要，还可以配以额外热源加热)使吸附材料实现脱附、有机物实现浓缩同时进行，或者可省略此步骤，单用额外热源加热使得吸附材料实现脱附、有机物实现浓缩。
优选地，所述催化降解反应的条件包括：所述催化降解反应过程中有机废气的体积空速为10000-40000h-1。
优选地，所述吸附材料选自活性炭、沸石分子筛、活性氧化铝、硅胶和树脂中的至少一种。
优选地，所述吸附浓缩的条件包括进气口尾气温度≤60℃，有机废气的体积空速为 10000-40000h-1，有机废气中有机物的浓度≤2000mg/m3。
此外，本发明还提供了一种净化系统，其中，所述净化系统包括依次连通的过滤模块、吸附模块和催化模块，所述吸附模块中设置有吸附材料，所述催化模块中设置有上述催化体系，待净化的有机废气依次通入所述过滤模块、吸附模块和催化模块中以分别对所述有机废气进行除尘、气体吸附和催化降解反应。
优选地，所述催化模块的其中一个尾气出口与所述吸附模块的尾气入口连通，以将经所述催化降解反应之后所得的至少部分尾气返回至所述吸附模块中。当尾气温度不足以提供吸附材料脱附热量以致脱附过程完全由额外热源供热时，此环节可省略。
本发明提供的催化体系在现有的催化方式上进行改进，其由深色催化材料和光源两部分组成，采用光源照射在深色催化材料表面自发产生足够热量以引发热催化反应，并且当流入催化体系中的有机分浓度升高及催化床层温度足够高时，甚至能够引发催化燃烧，使得催化床层自燃，不再需要外部提供能量，不仅能够提高有机废气的净化效率，而且还能够实现高效节能。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1为本发明提供的净化系统的一种具体结构示意图。
图2为本发明提供的净化系统的另一种具体结构示意图。
附图标记说明
1-过滤模块；2-吸附模块；3-催化模块
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
该实施例用于说明本发明提供的催化体系及其应用和净化方法以及净化系统。
如图1所示，本实施例采用的净化系统包括依次连通的过滤模块1、吸附模块2和催化模块3，所述过滤模块1为干式过滤器，所述吸附模块2为装填有吸附材料(活性炭) 的吸附柱，所述催化模块3中设置有催化剂床层(Pt/MnO2，其中，Pt负载在MnO2上且 Pt与MnO2的重量比为1：100)和全光谱太阳光且太阳光照射到催化剂床层的光强为 1000mW/cm2，所述催化模块3的其中一个尾气出口与所述吸附模块2的入口连通。当采用该净化系统对有机废气进行净化时，具体步骤如下：
(1)除尘：将待净化的有机废气(源自轮胎生产车间，其中有机分的浓度为2000mg/m3) 以4000m3/h的流速由引风机引入干式过滤器中进行过滤以去除其中的颗粒物及粘性成分，并延长吸附模块2中吸附材料的吸附周期及使用寿命。
(2)气体吸附：利用吸附模块2中的吸附材料对经除尘之后的有机废气中的有机物进行吸附，其中，吸附的温度为40℃，吸附的体积空速为40000h-1。
(3)催化降解反应：使得经气体吸附之后的有机废气通过催化模块3中的催化剂床层，同时开启光源以对有机废气进行光致热催化降解反应或光致光热协同催化降解反应，其中，有机废气的体积空速为40000h-1。结果表明，净化效率大于90％。
(4)气体脱附：将经催化降解反应之后所得的尾气一部分(2/3vol％)直接排放或流入其他工序，剩余部分返回至气体吸附步骤中，利用尾气余热使饱和的吸附材料脱附以实现吸附材料的再生，且脱附下来的已被浓缩的有机物引入所述催化模块3中再次进行所述催化降解反应。
实施例2
该实施例用于说明本发明提供的催化体系及其应用和净化方法以及净化系统。
如图1所示，本实施例采用的净化系统包括依次连通的过滤模块1、吸附模块2和催化模块3，所述过滤模块1为干式过滤器，所述吸附模块2为装填有吸附材料(沸石分子筛)的吸附柱，所述催化模块3中设置有催化剂床层(Pt/Al2O3，其中，Pt负载在Al2O3上且Pt与Al2O3的重量比为1：20)和红外光源且该红外光源照射到催化剂床层的光强为 500W/cm2，所述催化模块3的其中一个尾气出口与所述吸附模块2的尾气入口连通。当采用该净化系统对有机废气进行净化时，具体步骤如下：
(1)除尘：将待净化的有机废气(源自喷涂车间，其中有机分的浓度为1000mg/m3)以5000m3/h的流速由引风机引入干式过滤器中进行过滤以去除其中的颗粒物及粘性成分，并延长吸附模块2中吸附材料的吸附周期及使用寿命。
(2)气体吸附：利用吸附模块2中的吸附材料对经除尘之后的有机废气中的有机物进行吸附，其中，吸附的温度为40℃，吸附的体积空速为10000h-1。
(3)催化降解反应：使得经气体吸附之后的有机废气通过催化模块3中的催化剂床层，同时开启红外光源以对有机废气进行光致热催化降解反应或光致光热协同催化降解反应，其中，有机废气的体积空速为10000h-1。结果表明，净化效率大于90％。
(4)气体脱附：将经催化降解反应之后所得的部分尾气一部分(1/2vol％)直接排放或流入其他工序，剩余部分返回至气体吸附步骤中，利用高温使饱和的吸附材料脱附以实现吸附材料的再生，且脱附下来的已被浓缩的有机物引入所述催化模块3中再次进行所述催化降解反应。
实施例3
该实施例用于说明本发明提供的催化体系及其应用和净化方法以及净化系统。
如图1所示，本实施例采用的净化系统包括依次连通的过滤模块1、吸附模块2和催化模块3，所述过滤模块1为干式过滤器，所述吸附模块2为装填有吸附材料(活性氧化铝)的吸附柱，所述催化模块3中设置有催化剂床层(Pt/CNT，其中，Pt负载在CNT上且 Pt与CNT的重量比为1：50)和全光谱太阳光且太阳光照射到催化剂床层的光强为 800W/cm2，所述催化模块3的其中一个尾气出口与所述吸附模块2的尾气入口连通。当采用该净化系统对有机废气进行净化时，具体步骤如下：
(1)除尘：将待净化的有机废气(源自轮胎生产车间，其中有机分的浓度为2000mg/m3) 以5000m3/h的流速由引风机引入干式过滤器中进行过滤以去除其中的颗粒物及粘性成分，并延长吸附模块2中吸附材料的吸附周期及使用寿命。
(2)气体吸附：利用吸附模块2中的吸附材料对经除尘之后的有机废气中的有机物进行吸附，其中，吸附的温度为50℃，吸附的体积空速为20000h-1。
(3)催化降解反应：使得经气体吸附之后的有机废气通过催化模块3中的催化剂床层，同时开启光源以对有机废气进行光致热催化降解反应或光致光热协同催化降解反应，其中，有机废气的体积空速为20000h-1。结果表明，净化效率大于90％。
(4)气体脱附：将经催化降解反应之后所得的尾气一部分(2/3vol％)直接排放或流入其他工序，剩余部分返回至气体吸附步骤中，同时对吸附模块进行加热使吸附材料脱附以实现吸附材料的再生，且脱附下来的已被浓缩的有机物引入所述催化模块3中再次进行所述催化降解反应。
实施例4
该实施例用于说明本发明提供的催化体系及其应用和净化方法以及净化系统。
如图2所示，本实施例采用的净化系统包括依次连通的过滤模块1、吸附模块2和催化模块3，所述过滤模块1为干式过滤器，所述吸附模块2为装填有吸附材料(吸附树脂) 的吸附柱，所述催化模块3中设置有催化剂床层(MnO2)和红外光源且该红外光源照射到催化剂床层的光强为800W/cm2。当采用该净化系统对有机废气进行净化时，具体步骤如下：
(1)除尘：将待净化的有机废气(源自轮胎生产车间，其中有机分的浓度为300mg/m3) 以1000m3/h的流速由引风机引入干式过滤器中进行过滤以去除其中的颗粒物及粘性成分，并延长吸附模块2中吸附材料的吸附周期及使用寿命。
(2)气体吸附：利用吸附模块2中的吸附材料对经除尘之后的有机废气中的有机物进行吸附，其中，吸附的温度为50℃，吸附的体积空速为10000h-1。
(3)催化降解反应：使得经气体吸附之后的有机废气通过催化模块3中的催化剂床层，同时开启光源以对有机废气进行光致热催化降解反应或光致光热协同催化降解反应，其中，有机废气的体积空速为10000h-1。结果表明，净化效率大于90％。
(4)气体脱附：将经催化降解反应之后所得的尾气直接排放或流入其他工序，对吸附模块进行加热使吸附材料脱附以实现吸附材料的再生，且脱附下来的已被浓缩的有机物引入所述催化模块3中再次进行所述催化降解反应。
实施例5
该实施例用于说明本发明提供的催化体系及其应用和净化方法以及净化系统。
按照实施例1的方法对有机废气进行净化，不同的是，不包括除尘、气体吸附和气体脱附的步骤，净化效率大于80％。
对比例1
该对比例用于说明参比的催化体系及其应用和净化方法以及净化系统。
按照实施例4的方法对有机废气进行净化，不同的是，催化体系中仅包括深色催化材料而不包括光源，净化效率小于20％。
对比例2
该对比例用于说明参比的催化体系及其应用和有机废气的净化方法。
按照实施例4的方法对有机废气进行净化，不同的是，催化体系中仅包括光强为800mW/cm2的红外光源而不包括深色催化材料，净化效率小于10％。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (10)
1.一种催化体系，其特征在于，所述催化体系由深色催化材料和光源两部分组成，所述光源照射在深色催化材料上产生足够热量以引发热催化反应或光致光热协同催化反应。
2.根据权利要求1所述的催化体系，其中，
所述深色催化材料中的活性物质选自过渡金属氧化物、碳材料和贵金属材料中的至少一种；
优选地，所述深色催化材料中的活性物质为过渡金属氧化物、碳材料与过渡金属氧化物和/或贵金属材料的混合物或者贵金属与过渡金属氧化物和/或碳材料的混合物；
优选地，所述过渡金属氧化物选自钛氧化物、钒氧化物、铬氧化物、锰氧化物、铁氧化物、钴氧化物、镍氧化物、铜氧化物、锌氧化物和钨氧化物中的至少一种；
优选地，所述碳材料选自富勒烯、碳纤维、碳纳米管、碳气凝胶、石墨烯和活性炭中的至少一种；
优选地，所述贵金属材料选自金、银、钌、铑、钯、锇、铱和铂中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的催化体系，其中，所述光源选自紫外光、可见光、红外光和全光谱太阳光中的至少一种；优选地，所述光源的光强为100-1500mW/cm2。
4.权利要求1-3中任意一项所述的催化体系在有机废气净化中的应用。
5.一种有机废气的净化方法，其特征在于，该方法包括将待净化的有机废气在权利要求1-3中任意一项所述的催化体系的存在下进行光致热催化降解反应或光致光热协同催化降解反应。
6.根据权利要求5所述的净化方法，其中，该方法包括以下步骤：
除尘：将待净化的有机废气进行过滤以将其中的颗粒物及粘性成分去除；
气体吸附：利用吸附材料对经除尘之后的有机废气中的有机物进行吸附浓缩；
催化降解反应：将经气体吸附浓缩之后的有机废气在权利要求1-3中任意一项所述的催化体系中进行光致热催化降解反应或光致光热协同催化降解反应；
任选地，该方法还包括在所述催化降解反应之后的气体脱附步骤：将经所述催化降解反应之后所得的至少部分尾气返回至所述气体吸附步骤中，利用尾气余热使饱和的吸附材料脱附以实现吸附材料的再生，且脱附下来的已被浓缩的有机物引入所述催化体系中再次进行所述催化降解反应；
任选地，当所述尾气余热无法达到吸附材料的脱附温度时，使用外部加热使其脱附。
7.根据权利要求5或6所述的净化方法，其中，所述催化降解反应的条件包括：所述催化降解反应过程中有机废气的体积空速为10000-40000h-1。
8.根据权利要求6所述的净化方法，其中，
所述吸附材料选自活性炭、沸石分子筛、活性氧化铝、硅胶和树脂中的至少一种；
优选地，所述吸附浓缩的条件包括进气口尾气温度≤60℃，有机废气的体积空速为10000-40000h-1，有机废气中有机物的浓度≤2000mg/m3。
9.一种净化系统，其特征在于，所述净化系统包括依次连通的过滤模块(1)、吸附模块(2)和催化模块(3)，所述吸附模块(2)中设置有吸附材料，所述催化模块(3)中设置有权利要求1-3中任意一项所述的催化体系，待净化的有机废气依次通入所述过滤模块(1)、吸附模块(2)和催化模块(3)中以分别对所述有机废气进行除尘、气体吸附和催化降解反应。
10.根据权利要求9所述的净化系统，其中，所述催化模块(3)的其中一个尾气出口与所述吸附模块(2)的尾气入口连通，以将经所述催化降解反应之后所得的至少部分尾气返回至所述吸附模块(2)中。
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