一种光催化去除空气中挥发性有机物的装置及方法与流程

本发明属于大气污染控制装备研发与应用领域，具体涉及一种光催化去除空气中挥发性有机物(VOCs)的装置及方法。

背景技术：

空气中挥发性有机物(VOCs)是大气中比较常见的一种复杂有机污染物，这些有机物即使在很低的浓度下，也会散发出强烈的令人不悦的气味，其中，很多VOCs有毒并且具有致癌作用，危害人体健康。一些VOCs物种具有较强的光化学反应特性，能够在日光照射下发生光化学转化，生成光化学烟雾，此外，VOCs对城市和区域臭氧的生成产生重要的影响，也是导致雾霾天气的重要前体物之一。因此，VOCs污染是导致复合型大气污染的重要因素，是各国严厉限制的大气污染物质之一。有大量的方法用于去除VOCs，这些方法大致可以分为两类：(1)吸附，包括水和化学洗涤，以及活性炭或其他多孔物质的吸附。(2)焚化，包括热、催化和生物氧化。近年来，随着治理要求不断提高，一些传统的处理方法已不适应目前无害化的处理要求。比如，吸附(包括活性炭或者沸石)，该方法仅仅是将环境中的气态污染物转换到了固态，而且，需要进一步对载体进行再生和处理这些有机物。传统的焚化处理虽然能够把污染物氧化为H₂O和CO₂，但是，要求温度要超过800-1200℃才能把污染物完全破坏。该方法成本较高，不完全燃烧能够产生副产物，并且如果冷却控制不当会产生二噁英，此外，在高温燃烧过程中极易形成NOx。非热等离子体处理能够产生对人体健康有害的臭氧和NOx。因此，需要一种既能够完全矿化VOCs，不需要二次处理，又兼具经济性的技术来去除大气中的VOCs。

光催化氧化是最有吸引力的高级氧化技术之一，是一种降解各种环境污染物的有效工具。光催化氧化作用能够将VOCs完全矿化为CO₂和H₂O，因此，也是一种理想的处理VOCs的方法。因此，如何采用光催化氧化技术实现处理VOCs的方法，具有重要的现实意义。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种光催化去除空气中挥发性有机物的装置及方法。

本发明采取的技术方案为：

一种光催化去除空气中挥发性有机物的装置，包括配气装置、光催化反应装置和检测装置，所述配气装置包括配气瓶，配气瓶的中部和顶部分别安装进气口a和出气口b，进气口a依次通过气体循环泵、转子流量计和反应器的出气管连通，出气口b和光催化反应装置的反应器的底部连通，所述光催化反应装置设置为圆柱状石英玻璃反应器，负载在钛片上的TiO₂光催化剂均匀平铺在反应器底部，反应器顶部垂直于反应器底部安装有光源灯，反应器下端设置进气口c，上端设置出气口d，所述检测装置包括100ml气体取样袋和气相色谱仪。进气口c内通入含挥发性有机物的空气，出气口d通过反应器的出气管取样后与气相色谱仪连通，反应器的出气管靠近出气口d的位置通过分支出气管连接尾气吸收器。该套装置系统能够通过光催化降解作用间歇式的去除大气中的挥发性有机污染物。

进一步的，所述反应器的高110mm，内径110mm，壁厚3mm，有效体积1L，顶部的石英玻璃盖厚度3mm。挥发性有机污染物在反应器内与TiO₂光催化剂接触，在光照条件下通过光催化作用被降解。

进一步的，所述光源灯采用功率为4-100W的紫外灯，优选功率为28W的紫外灯，TiO₂光催化剂在反应器底部的反应面积为16-40cm²，优选为32cm²。紫外灯距反应器顶部的距离为3cm。紫外灯提供紫外光，激发TiO₂光催化剂发生电子跃迁，生成氧化性活性基团，从而氧化分解挥发性有机污染物。

进一步的，所述光催化反应装置内部设置有通风设备，为反应器降温。

一种光催化去除空气中挥发性有机物的方法，由配气系统、光催化反应系统和检测系统三部分组成，包括如下步骤：

(1)配气系统：采用定量加入挥发配气的气体产生方式，配气瓶通过出气口b提供浓度为5-35mg/m³、流量为0.5-3L/min的甲苯混合气体；

(2)光催化反应系统：配气瓶内的甲苯混合气体通过出气口b进入圆柱状石英玻璃反应器内，含挥发性有机物的空气通过反应器的进气口c通入反应器内，负载在钛片上TiO₂光催化剂平面布置，紫外灯光源垂直照射TiO₂光催化剂，反应器内含挥发性有机物的空气进行光催化反应，光催化降解反应过程中采用流量为3L/min的气体循环泵进行混合气体循环；

(3)检测系统：在设定的取样时间点20min，40min，60min，80min，100min分别使用100ml取样袋人工取样，然后采用气相色谱仪进行甲苯气体浓度检测。

进一步的，所述步骤(1)中配气之前，用微量进样针取一定量的纯甲苯液体，注入到配气瓶中，将配气瓶的进样口封住，形成一套封闭的循环系统。

进一步的，所述步骤(2)中将面积为16cm²、24cm²、32cm²、40cm²的TiO₂催化剂从石英玻璃反应器的上口放入，均匀的平铺在反应器底部后，用真空油脂将石英玻璃反应器的上盖和反应器密封住。

进一步的，所述步骤(2)中采用的TiO₂光催化剂为带状膜层结构，提高了对紫外光的利用率，增大了TiO₂光催化剂与挥发性有机物的接触面积。

本发明开发了一种光催化去除空气中VOCs装置，并探索了该装置的最佳运行参数。其优点和效果如下：

(1)本装置采用光催化剂平面布置，紫外灯光源垂直照射催化剂，提高了光利用效率，构造简单，便于操控，可以用小功率的紫外灯作为辐照光源，节约能源，运行费用低。采用的TiO₂光催化剂为带状膜层结构，提高了对紫外光的利用率，增大了TiO₂光催化剂与VOCs的接触面积。

(2)当甲苯初始浓度为34.67mg/m³，光催化剂有效反应面积为32cm²，混合气体流速为1.5L/min，光催化反应时间为100min时，甲苯光催化降解效率为93.72％。能够有效去除空气中的VOCs污染物。

附图说明

图1为本发明制备的光催化降解VOCs装置示意图。

图2为本发明制备的光催化降解VOCs装置实物图。

图3为本发明制备的光催化降解VOCs装置对甲苯混合气体的降解效果。

其中，1、配气瓶；2、光源灯；3、尾气吸收器；4、气相色谱仪；5、气体循环泵；6、转子流量计；7、反应器。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

本发明中处理VOCs的原理解释：在所有的光催化剂中，TiO₂因具有高的光活性、很好的稳定性和成本低等优势，成为光催化氧化去除VOCs最有前景的光催化剂。与传统的活性炭吸附和热氧化相比，TiO₂异相光催化氧化处理VOCs具有很多的优势：(1)常用的光催化剂是锐钛矿TiO₂，它是一种无毒的n型半导体。(2)动力学研究表明氧化过程中氧的最终来源是分子氧，它是一种比H₂O₂和O₃更温和的氧化剂。(3)光催化反应在室温和常压下即可进行，避免了二噁英等有毒副产物的生成。(4)光催化氧化技术对很多种有机物都起作用，比如，芳香族化合物、烷类、烯烃、卤代烃类和臭气混合物等。因此，TiO₂异相光催化氧化是一种很有前景的空气净化技术。

实施例1

如图1和图2所示，一种光催化去除空气中挥发性有机物的装置，包括配气装置、光催化反应装置和检测装置，所述配气装置包括配气瓶，配气瓶设置为锥形玻璃瓶，锥形玻璃瓶内填充甲苯混合气体，配气瓶的中部和顶部分别安装进气口a和出气口b，进气口a依次通过气体循环泵、转子流量计和反应器的出气管连通，出气口b和光催化反应装置的反应器的底部连通，所述光催化反应装置设置为圆柱状石英玻璃反应器，反应器的高110mm，内径110mm，壁厚3mm，有效体积1L，负载在钛片上的TiO₂光催化剂均匀平铺在反应器底部，采用的TiO₂光催化剂为带状膜层结构，反应器顶部垂直于反应器底部安装有光源灯，光源灯采用功率为4-100W的紫外灯，TiO₂光催化剂在反应器底部的反应面积为16-40cm²，反应器下端设置进气口c，上端设置出气口d，所述检测装置包括100ml气体取样袋和气相色谱仪，进气口c内通入含挥发性有机物的空气，出气口d通过反应器的出气管取样后和气相色谱仪连通，反应器的出气管靠近出气口d的位置通过分支出气管连接尾气吸收器。

为了保证反应装置内温度恒定，在反应装置内部装有通风设备，保证装置内空气流动，使整个反应过程在室温下进行。

实施例2

在实施例1的基础上，不同于实施例1，一种光催化去除空气中挥发性有机物的方法，由配气系统、光催化反应系统和检测系统三部分组成。

(1)光催化去除空气中VOCs装置的准备：

气相光催化反应装置由配气系统、光催化反应系统和检测系统3部分组成。配气系统提供浓度为34.67mg/m³、流量为1.5L/min的甲苯混合气体，气体产生方式为定量加入挥发配气，采用的装置为体积为1L的锥形玻璃瓶，配气瓶的中部和顶部分别安装进气口a和出气口b；光催化反应装置为圆柱状石英玻璃反应器，高110mm，内径110mm，壁厚3mm，有效体积1L；反应装置顶部安装功率为28W的紫外灯作为光催化光源灯，TiO₂光催化剂负载在钛片上，均匀平铺在反应器底部，反应面积为32cm²；反应装置上下两端分别设置出气口d和进气口c，在设定的取样时间点(20，40，60，80，100min)使用取样袋取样，然后采用气相色谱仪进行甲苯气体浓度检测，光催化降解反应过程中采用流量为3L/min的气体循环泵进行混合气体循环。

(2)光催化去除空气中VOCs装置的应用：

具体操作步骤如下：烘干后将反应器和配气瓶冷却至室温，将其连接到整个反应系统中；将反应面积为32cm²的TiO₂催化剂从石英玻璃反应器的上口放入，均匀的平铺在反应器底部，用真空油脂将上盖和反应器密封住；将装有催化剂的反应器放在光源下，使光源垂直照射反应器；用微量进样针取一定量的纯甲苯液体，注入到配气瓶中，立即封上配气瓶的进样口，从而形成一套封闭的循环系统。

光催化降解前，先将反应装置暗处理30min，此时要打开气体循环泵，使气体在催化剂表面达到吸附和脱附平衡。然后打开光源，每隔20min，用100ml气体采样袋取一次样。用气相色谱仪进行分析，用1000ul微量进样针手动进样，每次进样量在200ul～800ul。结果如图3所示，当甲苯初始浓度为34.67mg/m³，光催化剂有效反应面积为32cm²，混合气体流速为1.5L/min，光催化反应时间为100min时，甲苯光催化降解效率为93.72％，能够有效去除空气中的VOCs污染物。

以上所述并非是对本发明的限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实质范围的前提下，还可以做出若干变化、改型、添加或替换，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。