一种处理VOCs的装置及方法与流程

本发明属于废气处理技术领域，涉及一种处理VOCs的装置及方法，尤其涉及一种光电一体化处理VOCs的装置及方法。

背景技术：

VOCs(挥发性有机物)是大气中非甲烷烃类的总称，是有强挥发性、有特殊气味、有刺激性、有毒的有机气体，全世界在空气中检出的VOCs已经有约150余种，其中有毒的约80余种，部分己被列为致癌物，如氯乙烯、苯、多环芳烃等。来自人为污染源，如涂料生产、涂装、印刷、制药、皮革加工、树脂加工等生产工艺过程排放的VOCs正受到日益广泛的关注。国家“十二五”规划要求VOCs废气减排量为152.5万吨/年，天津市地方标准要求自2016年1月1日起企业废气排放执行第Ⅱ时段限制，即苯系物合计、非甲烷总烃允许的最高排放浓度由此前第Ⅰ时段的20mg/m³、50mg/m³分别降低为10mg/m³、20mg/m³。

目前常见的VOCs废气处理技术分为回收技术和销毁技术。其中，回收技术针对高浓度(>5000mg/m³)或比较昂贵的VOCs，常用的回收技术主要有吸附、吸收、冷凝、膜技术等；而针对大部分企业废气的达标排放，采用的多为销毁技术，主要包括燃烧、光催化、生物降解、等离子体技术等。目前燃烧技术应用较为广泛，但只适用于可燃或高温可分解的有机废气，且易产生二次污染；光催化技术作为一种新型的废气处理技术，其利用紫外光照射催化剂，使其的电子充满的价带跃迁到空的导带，而在价带留下带正电的空穴(h+)，形成电子－空穴对。光致空穴具有很强的氧化性，可夺取半导体颗粒表面吸附的有 机物中的电子，光致电子还具有很强的还原性，使得半导体表面的电子受体被还原，产生氧化力极强的羟基自由基等最终将大部分有机物质分解成水和二氧化碳，但光催化氧化法存在着催化剂的失活、催化剂难以固定，且催化剂固定后催化效率降低的缺点；生物降解技术最早应用于脱臭，其在VOCs处理方面的应用存在体积大、停留时间长以及对成分复杂的废气或难以降解的VOCs去除效果较差等不足；等离子体被称为物质的第四种形态，由电子、离子、自由基和中性粒子组成，是导电性流体，发展前景比较广阔的等离子体技术是电晕放电技术，是指在非均匀电场中，用较高的电场强度使气体产生“电子雪崩”，出现大量的自由电子，这些电子在电场力的作用下做加速运动并获得能量，可以打破有机物的化学键，破坏有机物的结构，同时，电晕放电可以产生以臭氧为代表的具有强氧化能力的物质，氧化有机物，用其处理VOCs具有效率高、能量利用率高、设备维护简单、费用低等优点，但该技术对电源的要求很高，在分解VOCs分子的同时，还有一些有害副产物产生，如NOx、CO及O₃等。

CN 103721510A公开了一种VOCs高效处理方法，所述方法包括对废气进行除尘处理、除味处理以及尾气处理，首先采用布袋除尘器对废气进行预处理，回收部分物料，再引入静电除尘器，进一步回收物料；然后将废气进行低温催化氧化处理；之后将废气进行吸附处理。但是，该处理方法对分子结构复杂的有机物降解效果不好。

CN 204710076U公开了一种用于工业VOCs有机废气处理的介质阻挡放电净化装置，在壳体内部设有上、下两层气流分布板，气流分布板将壳体内部分割成上箱体、中部处理区域及下箱体，在上、下两层气流分布板之间的中部处理区域的外缘分别设有陶瓷层、铜网层，铜网层与接地极连接；中部处理区域 均匀布置有多根穿有陶瓷环的玻璃纤维固定绳，电晕线从下箱体进入，穿过上、下两层气流分布板之间的中部处理区域的中心。所述装置仅对VOCs有机废气进行电晕处理，其处理效果难以达到排放标准。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种处理VOCs的装置及方法，所述装置设计紧凑，利用吸附单元、光催化单元和电晕单元之间的协同作用处理VOCs，净化效果好，使用周期长。

能够使得系统具有较高的安全性、稳定性及可靠性。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的目的之一在于提供一种处理VOCs的装置，所述装置包括壳体，所述壳体内部包括至少两个处理单元，所述至少两个处理单元分层设置，每层处理单元的一侧设置有进气口和排气口，所述进气口和排气口通过阀门与处理单元连通，所述处理单元包括依次连接的吸附单元、光催化单元和电晕单元，所述吸附单元设置于进气口侧；每层处理单元的电晕单元通过连通装置相互连通。

所述吸附单元、光催化单元和电晕单元中均设置有传感器，所述传感器与控制器相连。

所述连通装置具有圆弧结构。

优选地，所述连通装置中设置有气体导流装置。

所述处理单元包括2个以上的吸附单元。

优选地，所述处理单元包括2个以上的光催化单元。

优选地，所述处理单元包括2个以上的电晕单元。

所述吸附单元包括过滤网和吸附材料，所述吸附材料涂覆于所述过滤网 上。

优选地，所述吸附材料为硅胶、活性氧化铝、活性炭或分子筛中的任意一种或至少两种的组合。

优选地，所述吸附材料表面添加有敏化剂。

所述光催化单元包括光源和光催化材料层。

优选地，所述光源为紫外灯组，优选为中压汞灯组。

优选地，所述光催化材料层为掺杂MnO₂、贵金属元素或稀土元素中的任意一种或至少两种的金属氧化物层。

优选地，所述贵金属元素为Au、Pt或Ag中的任意一种或至少两种的组合。

优选地，所述稀土元素为Ce、Zr、La或Ga中的任意一种或至少两种的组合。

优选地，所述金属氧化物为TiO₂、ZnO或Al₂O₃中的任意一种或至少两种的组合。

所述电晕单元采用高频脉冲电源。

优选地，所述电晕单元的放电极负载有光催化剂。

本发明的目的之二在于提供一种利用如上所述的装置处理VOCs的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)VOCs气体进入一层处理单元，在处理单元中依次进行吸附处理、光催化处理和电晕处理；

(2)步骤(1)排出的气体进入另一层处理单元，依次进行电晕处理、光催化处理和吸附处理后排出。

所述吸附处理使用的吸附材料为硅胶、活性氧化铝、活性炭或分子筛中的 任意一种或至少两种的组合。

优选地，所述吸附材料表面添加有敏化剂。

所述光催化处理中使用的光源为中压汞灯。

优选地，所述光催化材料为掺杂MnO₂、贵金属元素或稀土元素中的任意一种或至少两种的金属氧化物催化剂。

优选地，所述贵金属元素为Au、Pt或Ag中的任意一种或至少两种的组合。

优选地，所述稀土元素为Ce、Zr、La或Ga中的任意一种或至少两种的组合。

优选地，所述金属氧化物为TiO₂、ZnO或Al₂O₃中的任意一种或至少两种的组合。

优选地，所述电晕处理使用的电源为高频脉冲电源。

优选地，所述电晕处理中还进行光催化处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的处理VOCs的装置，其中的吸附单元、光催化单元与电晕单元之间能够协同作用：电晕单元易产生臭氧，在电晕单元添加的光催化剂，可以将透射过光催化区的紫外余光充分利用，提高光能利用率；光催化作用可以促进臭氧氧化分解有机物，起到提高有机物分解效率，同时缓解电晕放电易产生副产物—臭氧的弊端，有双重优点；另外，在光催化单元添加的MnO₂的目的就是为了彻底解决电晕产生臭氧问题，防止二次污染的产生；因此，该处理装置对VOCs的净化效果好，设置多层处理单元，进一步提高了VOCs的净化效率；

本发明提供的处理VOCs的装置，将处理单元分层设置，结构紧凑，占地 面积小，方便安装；

本发明提供的处理VOCs的装置通过VOCs的可逆流向控制，能够有效对吸附区进行吹脱脱附再生，延长了装置的使用周期。

附图说明

图1为实施例1提供的一种VOCs光电一体化处理装置的结构示意图。

图2为实施例1提供的一种VOCs光电一体化处理装置的进/排气口结构示意图。

其中，1-吸附单元，2-光催化单元，21-紫外灯组，22-光催化材料层，3-电晕单元，4-连通装置，5-进/排气口，51-第一进气口，52-第二进气口，53-第一排气口，54-第二排气口，51-1-第一进气阀，52-1-第二进气阀，53-1-第一排气阀，54-1-第二排气阀，6-壳体，7-气体导流装置。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

一种处理VOCs的装置，所述装置包括壳体6，所述壳体6内部包括至少两个处理单元，所述至少两个处理单元分层设置，每层处理单元的一侧设置有进气口和排气口，所述进气口和排气口通过阀门与处理单元连通，所述处理单元包括依次连接的吸附单元1、光催化单元2和电晕单元3，所述吸附单元1设置于进气口侧；每层处理单元的电晕单元3通过连通装置4相互连通。

所述吸附单元1用于将VOCs中的颗粒杂质吸附滤除；所述光催化单元2利用电子-空穴对激发的自由基能够氧化分解废气中的大部分有机物分子；所述电晕单元3用于将残余的复杂有机物分子和部分中间产物再经过高能粒子流冲击形成“电子雪崩”，有效破坏复杂有机物分子结构，同时产生高浓度O₃，对废气中的细菌和微生物有较好的杀菌作用；连通装置4的设置有利于增加电晕 停留时间，强化废气的分解效果。

本发明提供的处理VOCs的装置，有机废气由进气口进入，经吸附单元1理后，进入光催化单元2，大部分有机物分子被电子-空穴对激发的自由基氧化分解；残余的复杂有机物分子和部分中间产物在连续的电晕单元3产生的高能粒子流冲击下形成“电子雪崩”，其分子结构被有效破坏，同时电晕单元3会产生高浓度O₃，对废气中细菌、微生物有较好的杀菌作用；经电晕单元3截断的有机物分子、失活细菌以及形成的臭氧再次进入光催化单元2有效分解为CO₂和H₂O，防止二次污染；光电模块处理后的废气再经过吸附单元1的吸附，去除微量残余废气分子、CO以及NO_X等产物，达到无害排放，此外，处理单元通过连通装置4及阀门可实现逆流向切换，进而对吸附单元1进行吹脱再生，有效延长了所述装置的使用周期。

经第一层处理单元处理之后的废气通过连通装置4进入第二层处理单元，对废气进一步净化，从而使得净化后的气体符合排放标准(GB16297-1996)。

所述装置利用吸附处理、光催化处理及电晕处理之间的协同作用处理VOCs，并且将处理单元分层设置，VOCs在所述装置中能够经过至少两次的吸附处理、光催化处理和电晕处理，净化效果好，结构设计紧凑，占地面积小。

所述吸附单元1、光催化单元2和电晕单元3中均设置有传感器，所述传感器与控制器相连。所述传感器的设置有利于吸附单元1、光催化单元2和电晕单元3独立控制，对废气浓度、温度或火花等情况进行监控。利用所述装置处理易燃、易爆等成分的VOCs废气时，可关闭电晕区，防止出现电弧放电或是燃爆。

所述连通装置4具有圆弧结构。

优选地，所述连通装置4中设置有气体导流装置7。

圆弧结构的连通装置4及气体导流装置7的设置有利于减小废气从一层处理单元流动到另一处理单元的阻力。

所述处理单元包括2个以上的吸附单元1，如所述处理单元包括2个、3个、4个或5个吸附单元1。

优选地，所述处理单元包括2个以上的光催化单元2，如所述处理单元包括2个、3个、4个或5个光催化单元2。

优选地，所述处理单元包括2个以上的电晕单元3，如所述处理单元包括2个、3个、4个或5个电晕单元3。

本发明所述2个以上包含2个。

本领域技术人员可根据实际需要选择处理单元中吸附单元1、光催化单元2和电晕单元3的个数。

所述吸附单元1包括过滤网和吸附材料，所述吸附材料涂覆于所述过滤网上。

优选地，所述吸附材料为硅胶、活性氧化铝、活性炭或分子筛中的任意一种或至少两种的组合。典型但非限制性的吸附材料组合为：硅胶与活性氧化铝，活性炭与分子筛，活性氧化铝、活性炭与分子筛，硅胶、活性氧化铝与活性炭，硅胶、活性氧化铝、活性炭与分子筛。

优选地，所述吸附材料表面有敏化剂。所述敏化剂为本领域常用的化学物质，其可为聚吡咯和/或聚苯胺类，本领域技术人员可轻易获得。

所述光敏化剂的设置有利于所述吸附材料在吸附有机废气分子后，在光电作用下自行再生。

所述光催化单元2包括光源和光催化材料层22。所述光催化材料层22在所述光源的照射下产生电子-空穴对，氧化降解VOCs中的有机污染物。本领域技 术人员可根据实际的有机污染物选择适合的光源及光催化材料，从而达到最优的光催化效果。

优选地，所述光源为紫外灯组21，优选为中压汞灯组。

优选地，所述光催化材料层22为掺杂MnO₂、贵金属元素或稀土元素中的任意一种或至少两种的金属氧化物层。典型但非限制性的光催化材料为：MnO₂与贵金属元素掺杂的金属氧化物，MnO₂与稀土元素掺杂的金属氧化物，贵金属元素与稀土元素掺杂的金属氧化物，MnO₂、贵金属元素与稀土元素掺杂的金属氧化物。在光催化单元添加MnO₂是为了彻底解决电晕产生臭氧问题，防止二次污染的产生。

优选地，所述贵金属元素为Au、Pt或Ag中的任意一种或至少两种的组合。典型但非限制性的贵金属元素组合为：Au与Pt，Au与Ag，Pt于Ag，Au、Pt与Ag。

优选地，所述稀土元素为Ce、Zr、La或Ga中的任意一种或至少两种的组合。典型但非限制性的稀土元素组合为：Ce与Zr，La与Ga，Ce、Zr与La，Ce、Zr、La与Ga。

优选地，所述金属氧化物为TiO₂、ZnO或Al₂O₃中的任意一种或至少两种的组合。典型但非限制性的金属氧化物组合为：TiO₂与ZnO，ZnO与Al₂O₃，TiO₂、ZnO与Al₂O₃。

所述电晕单元3采用高频脉冲电源。

优选地，所述电晕单元3的放电极负载有光催化剂。所述光催化剂能够催化氧化电晕处理中破坏结构的复杂有机物。所述光催化剂主要用于光催化降解破坏结构的复杂有机物，本领域技术人员可根据实际需要选择光催化剂的种类，如所述光催化剂为掺杂MnO₂、贵金属元素或稀土元素中的任意一种或至 少两种的金属氧化物。电晕区易产生臭氧，在电晕区添加的光催化剂，可以将透射过光催化区的紫外余光充分利用，提高光能利用率；光催化作用可以促进臭氧氧化分解有机物，起到提高有机物分解效率，同时缓解电晕放电易产生副产物—臭氧的弊端，有双重优点。

一种利用如上所述的装置处理VOCs的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)VOCs气体进入一层处理单元，在处理单元中依次进行吸附处理、光催化处理和电晕处理；

(2)步骤(1)排出的气体进入另一层处理单元，依次进行电晕处理、光催化处理和吸附处理后排出。

当所述壳体6内包含大于2层的处理单元时，本领域技术人员可根据实际的污染物情况选择多层处理单元同时进气，其余的至少一层处理单元排气，从而实现大流量高污染浓度的VOCs的处理。

所述吸附处理使用的吸附材料为硅胶、活性氧化铝、活性炭或分子筛中的任意一种或至少两种的组合。

优选地，所述吸附材料表面添加有敏化剂。

所述光催化处理中使用的光源为中压汞灯。

优选地，所述光催化材料为掺杂MnO₂、贵金属元素或稀土元素中的任意一种或至少两种的金属氧化物催化剂。典型但非限制性的光催化材料为：MnO₂与贵金属元素掺杂的金属氧化物，MnO₂与稀土元素掺杂的金属氧化物，贵金属元素与稀土元素掺杂的金属氧化物，MnO₂、贵金属元素与稀土元素掺杂的金属氧化物。

优选地，所述贵金属元素为Au、Pt或Ag中的任意一种或至少两种的组合。典型但非限制性的贵金属元素组合为：Au与Pt，Au与Ag，Pt于Ag， Au、Pt与Ag。

优选地，所述稀土元素为Ce、Zr、La或Ga中的任意一种或至少两种的组合。典型但非限制性的稀土元素组合为：Ce与Zr，La与Ga，Ce、Zr与La，Ce、Zr、La与Ga。

优选地，所述金属氧化物为TiO₂、ZnO或Al₂O₃中的任意一种或至少两种的组合。典型但非限制性的金属氧化物组合为：TiO₂与ZnO，ZnO与Al₂O₃，TiO₂、ZnO与Al₂O₃。

优选地，所述电晕处理使用的电源为高频脉冲电源。

优选地，所述电晕处理中还进行光催化处理。

实施例1

一种VOCs光电一体化处理装置如图1所示，所述装置包括壳体6，所述壳体6内部包括两层处理单元，每层处理单元的一侧设置有进气口和排气口，所述进气口和排气口通过阀门与处理单元连通，所述处理单元包括依次连接的吸附单元1、光催化单元2和电晕单元3，所述吸附单元1设置于进气口侧；每层处理单元的电晕单元3之间通过连通装置4相互连通。所述连通装置4具有圆弧结构，圆弧结构中设置有气体导流装置7。所述吸附单元1、光催化单元2和电晕单元3独立控制并分别安装有传感器，对废气浓度温度或火花等情况进行监控。

所述处理单元包括一个吸附单元1、一个光催化单元2和一个电晕单元3。

所述吸附单元1包括过滤网、吸附材料和敏化剂，所述吸附材料涂覆于过滤网上，所述敏化剂添加于所述吸附材料表面，所述吸附材料为硅胶、活性氧化铝、活性炭或分子筛中的任意一种或至少两种的组合；

所述光催化单元2中压汞灯组和光催化材料层22，所述光催化材料层22中 的光催化剂为掺杂MnO₂、贵金属元素或稀土元素中的任意一种或至少两种的金属氧化物催化剂。

所述电晕单元3使用的电源为高频脉冲电源，所述电晕层的放电极负载有光催化剂；

所述两层处理单元的进气口与排气口的设置如图2所示。每层处理单元的的进气口与排气口分别通过阀门与处理单元连通，每层处理单元既可通入有机废气，有能排出净化后的气体。其中，第一进气口51通过第一进气阀51-1与第一层处理单元连通，第一排气口53通过第一排气阀53-1与第一层处理单元连通，第二进气口52通过第二进气阀52-1与第二层处理单元连通，第二排气口54通过第二排气阀54-1与第二层处理单元连通。

利用如上所述装置进行VOCs净化的流程为：

首先，打开进气阀5-1和排气阀5-4，关闭进气阀5-2和排气阀5-3，废气由第一进气口51进入装置，经吸附单元1滤除吸附颗粒杂质后，进入光催单元3，大部分有机物分子被电子-空穴对激发的自由基氧化分解；残余的复杂有机物分子和部分中间产物在电晕单元4产生的高能粒子流冲击下形成“电子雪崩”，其分子结构被有效破坏，同时该区域产生的高浓度O₃对废气中细菌、微生物有较好的杀菌作用；残余废气经连通装置4的圆弧结构再次进入电晕单元3，增加了电晕停留时间，强化废气的分解效果；分解中间产物及失活细菌等在由电晕单元3产生的臭氧协同作用下在光催化单元2中有效分解为CO₂和H₂O，并且在MnO₂催化下促进了O₃彻底氧化消除，防止二次污染；最后经过吸附单元1吸附，去除微量残余废气分子和CO、NO_X等过程产物，由第二排气口54-1排出，达到无害排放；此外，设置在吸附单元1的敏化剂经中压汞灯组的照射进行再生，有效延长了光电一体化处理装置的使用周期。

当处理一段时间后，靠近第一进气口51的吸附单元1吸附饱和或过滤网截留杂质过多导致气体压降增大后，打开进气阀5-2和排气阀5-3，关闭进气阀5-1和排气阀5-4，废气由第二进气口52进入装置，经处理后的净化空气，由第一排气口53排空。

所述VOCs中的主要成分为二甲苯、丁酮、丙酮、乙酸乙酯、甲酸甲酯、乙酸甲酯、异丙酮、N，N-二甲基甲酰胺及二氯乙烷等。

根据投料浓度和排气口检测浓度，计算得到设备整体工作和关闭电晕区下工作的VOCs净化率(VOCs易燃成分高或有些工况下需要关闭电晕区，防止放电火花或爆炸事故)，如表1所示。其中，排气口的排放速率是根据排风口的出气浓度，计算单位1h内将会排放的VOCs总量，因为GB16297-1996综合排放标准，是对单位时间的排放总量限值。

利用如上所述装置处理VOCs过程中各污染物的处理数据如表1所示：

表1

可见，本发明提供的处理VOCs的装置，其中的吸附单元、光催化单元与电晕单元之间能够协同作用，其对VOCs的净化效果明显优于吸附-光催化处理装置。

申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。