处理工业废气的方法和装置制造方法
【专利摘要】公开了一种处理工业废气的方法和装置。所述方法包括用紫外光照射包含挥发性有机物的物质。所述装置包括污水收集箱体，所述污水收集箱体内四壁均安装有污水净化紫外线灯，该紫外线灯是能够发射紫外线光波波段中的C段，波长184.8-185.2nm，并且辐照强度为45-47 uw/cm2的紫外线发射灯管。所述方法适合于大规模工业应用，并且比普通TiO2光催化剂的光催化效率高很多。
【专利说明】处理工业废气的方法和装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种处理工业废气的方法和装置，尤其是采用紫外线光波波段中的C 段紫外光(波长184. 8-185. 2nm)在特定的改性TiO2催化剂存在下处理工业废气、工业污水 的方法和装置。 技术背景
[0002] 工业废气、工业污水，尤其是其中的挥发性有机物，是导致雾霾的重要污染物，严 重影响了大气质量、动植物生长以及人类健康，并且具有非常严重的安全隐患。各种化工、 燃料、石油、钢铁、造纸等工厂内使用的化工原料成分多样，造成工业污水成分复杂，往往多 达几十种甚至几百种，而且又分为有机物类和无机物类，现有方式往往是选择将工厂内的 污水集中收集，再统一排出，这种超大量的污水排放，给周围环境造成极大破坏，尤其是其 中的异味及有害杂质，更是严重影响周边居民的正常生活，而目前没有专门紫外线装置对 工业污水进行处理。它主要来源于石油化工行业、塑胶制品生产、印刷行业、绝缘材料、机械 行业、表面防腐防锈处理、制药工业等行业排放废气中的主要污染物。
[0003] 挥发性有机物大多具有毒性并伴有恶臭，有些还有致癌物质，如氯乙烯、苯、甲苯、 二甲苯等。而且，多数挥发性有机物易燃易爆，这对企业生产带来诸多的不安全因素。目前， 世界各国都颁布了相应的法令，限制该类污染物的排放。美国《净化大气法》强调在未来几 年内要减少189种有毒化学品90%的排放，其中70%的化学品是挥发性有机化合物；我国于 1997年颁布并实施的《大气污染物综合排放标准》，限定33种污染物的排放限量，其中包括 有苯、二甲苯等多种挥发性有机物。
[0004] 常规的吸附法与吸收法只是污染物质从气相到固相/液相的转移，存在二次污染 问题；生物净化技术是微生物在适宜的环境条件下，利用废气中的有机成分作为能源维持 生命活动，并将有机物分解为二氧化碳、水、无机盐等，由于微生物的生存环境特殊并且处 理周期过长，利用生物技术净化有机废气仅仅在实验室取得了成功，目前几乎没有得到实 际应用；催化焚烧法是催化效率最高的有机废气处理方式，在理论上可达到100%的净化 率，但以昂贵的金属催化剂作为耗材来处理废气使大部分企业都无法接受此类处理方式。
[0005] 光催化降解技术在这方面具有突出的优点。光激活半导体价带上的光生空穴，光 催化氧化法由于光生空穴的强氧化性，如二氧化钛，其电位为3.2V，比臭氧的2. 07V高 得多，能彻底降解有机污染物，使之完全矿化生成二氧化碳和水，而且作用物几乎没有选择 性，所以能使许多难以降解的污染物矿化（无机化）。降解过程可在常温常压下进行，不需 要添加化学试剂，无二次污染，操作简便等优点而受到关注。
[0006] CN101279250A公开了一种能够用于可见光激发的负载型非金属氮掺杂一维结构 TiO2光催化剂及制备方法。以金属Ti片和浓碱溶液为主要原料，运用水热技术，通过酸化、 离子交换和后续热处理得到负载型非金属氮掺杂一维结构TiO2可见光催化剂。其特征是氮 的掺入使得催化对可见光产生吸收，吸收波长红移至600nm;催化剂本身就是负载型，解决 了颗粒状催化剂容易脱落的缺点；催化剂具有一维结构，比表面积大，活性点位丰富，有利 于强化反应传质过程。实现了对室内空气典型污染物的降解，其活性比颗粒状氮掺杂TiO2 高出1. 2-3. 0倍。
[0007] CN2774623A公开了一种新型光催化空气净化器，是由风机、紫外灯、负载型催化剂 床层和其它附加功能部件组成。光催化剂涂覆于一组带缺口或通气孔的相互平行的圆形 或方形隔板上，管状紫外灯贯穿于隔板组件中心，相邻隔板的缺口或通气口相互错位，隔板 的外沿与内沿分别紧靠净化器内壁及紫外灯套管，使净化器空腔内构成了伸长的光反应区 间，在气流出口段还加有负离子发生器和臭氧分解催化剂。
[0008] CN2809481公开了一种光能利用率高、催化剂总表面积大的双室型纳米光催化空 气净化器，它利用纳米半导体光催化原理和紫外线特性，由紫外线灯、大管载体与小管载 体、上支撑网座与下支撑网座构成两个环管状光催化反应室。小管载体为玻璃材质，紫外线 可以穿过，大管载体为陶瓷材质。上、下支撑网座上的环状网孔使双反应室成为串连，具有 室内空气净化、杀菌和除臭的综合功能，适用于面积较大、空气质量要求高的居室、酒店、宾 馆、办公室、会议室和病房等非生产性室内场所。
[0009] CNl799687A公开了一种负载型Ti02光催化剂及其制备方法，和用其制得的高 吸附性光催化水质净化器。该负载型TiO2光催化剂以活性碳纤维基为基体，在其上负载 100-600mgTi02/g活性碳纤维、厚100-300nmTiO2薄膜，比表面积为150?400m2/g。该催 化剂可通过粘胶剂的粉体涂覆法、液相沉积法和溶胶-凝胶法制得。其保留了活性碳纤维 丝间原有空隙，具有流体可自由进出光催化剂内部，且紫外光可辐射到光催化剂的内部的 优点。使用上述负载型TiO2光催化剂的光催化水质净化器呈长方体状，多个固定有上述催 化剂的光催化剂组件插入净化器槽体内，底部的曝气系统可气搅处理液，减小传质限制。该 净化器可有效吸附反应底物，促进光催化过程，使得其特别适合于微污染水源的深度净化 处理。
[0010] CN2529646A公开了一种光催化空气净化器，由机体、开关控制装置、空气循环装 置、空气过滤装置和光催化装置组成。在空气净化器中空气流过的通道里设有光催化反应 装置，而光催化反应装置是由附着于载体上的光催化反应薄膜和紫外光源组成。光催化反 应薄膜是利用磁控溅射方法在载体上制备的二氧化钛薄膜，载体为玻璃、金属、陶瓷或丝 网。当空气通过光催化空气净化装置时，空气中的有害物质如甲醛、苯等在光催化的作用下 发生降解，生成无毒无害的物质，而空气中的细菌也被紫外光除掉，空气因此得到净化。该 光催化空气净化器可以在家庭室内使用，也可以在大空间室内使用。
[0011] CN2621799A公开了一种纳米材料光催化空气净化器，包括净化器壳体，净化器壳 体内设置有光化室以及风循环机构，该光化室壳体内设有催化剂及灯管光源，所述灯管光 源固定连接在所述光化室壳体的正面上。当更换光源时，不需要将光化室从净化器壳体中 取出，只要打开净化器壳体即可更换。另外，可以根据催化剂的排列调节光源，提高催化效 果。最后，该发明的灯管呈凸型，照射均匀。
[0012] CN2565456A公开了一种高效光触媒空气净化装置，该装置通过采取从机壳两侧进 风，采用两组贯流式风机、顶部带有导风栅板的出风斗、三层光触媒滤网及光触媒栅条等结 构形式，很好地解决了空气流速流量问题和空气与光触媒体的接触面问题；通过采用合适 的光触媒材料，很好地解决了光催化剂在承载体上的固定问题；通过采用无臭氧产生的紫 外线灯，很好地解决了臭氧超标问题。这些问题的解决，改善了空气净化效果，提高了空气 净化质量。
[0013] "金属卟啉/异烟酸/二氧化钛复合光催化剂制备及其光催化性能研究"，罗云等， 无机化学学报，第28卷第6期，2012年6月公开了合成了四苯基卟啉及铜卟啉和锌卟啉，获 得了配合物ΖηΤΡΡ，制备了金属卟啉、异烟酸共修饰的二氧化钛复合光催化剂-金属卟啉/ 异烟酸/二氧化钛，研究了其光催化降解水中污染物的效果。
[0014] W02006074697A1公开了一种作为环境净化剂的笼式光催化剂，其中将纳米光催化 剂包封在碳酸钙壳内，该催化剂可以通过光催化作用分解并去除包括挥发性有机污染物在 内的有害物质。
[0015] KR20030034590A公开了一种捕集和消除空气中挥发性有机化合物的方法和装置， 该装置包括空气入口、出口、预处理室、光催化剂反应室、多个导引板、多个紫外灯，所述导 引板的表面涂覆有基于TiO2的光催化剂。
[0016] 然而，目前用于处理有机污染物的光催化方法存在成本较高的严重缺陷，不适合 于大规模工业应用，并且普通TiO2光催化剂的光量子效率和光催化效率都比较低。
【发明内容】
[0017] 为解决现有技术中存在的上述问题，本发明人经过深入研究和大量实验，提出了 如下技术方案： 在一方面，本发明提供了一种处理工业废气的方法，该方法包括用紫外光照射该工业 废气。
[0018] 所述紫外光优选为紫外线光波波段中的C段，波长184. 8-185. 2nm，并且辐照强度 为 45-47uw/cm2。
[0019] 所述方法可包括在紫外光照射下使工业废气与负载型改性TiO2催化剂接触。
[0020] 优选地，所述工业废气来自工业污水并且包含挥发性有机物。
[0021] 在一个优选方面，其包括在紫外光照射下使工业废气与负载型改性11〇2催化剂接 触。
[0022] 在处理挥发性有机物的过程中，在所述工业污水中加入有基于污水重量计 0. 1-2. 0%的负载型改性1102催化剂。
[0023] 在一个特别优选的方法，本发明的负载型改性1102催化剂为无机物(最优选陶粒） 负载的改性110 2催化剂。
[0024] 所述陶粒可以为通过如下方法制得的陶粒： (1) 将工业污水(可以为待进行挥发性有机物处理的工业用污水）的污泥在自然环境中 晾晒至含水率低于IOwt. %，然后对其进行破碎处理，将破碎后产生的污泥颗粒转移到加热 炉中于460-550°C(优选500°C)的温度下干燥10-25分钟(优选20分钟)，将干燥后的原 料转移至球磨机中，球磨处理10-40分钟(优选30分钟)，球磨机转速500-700转/分(优选 600转/分）； (2) 向球磨机中加入基于干燥后的污泥重量计20-30重量％ (优选20重量％)的石灰 石、5-10重量％ (优选5重量％)的造孔剂，继续球磨干混5-10分钟(优选10分钟)，然后 将混合原料转移至配料池中，加水适量水搅拌，造粒，粒径在5mm-15mm(优选6mm)范围内， 然后自然晾干； (3)将晾干后的粒状物转移至加热炉中，在550°C-650°C(优选600°C)的温度下烧结 20-40分钟(优选30分钟)，自然冷却至室温，即得陶粒成品。
[0025] 所述造孔剂可以选自松香、锯屑、聚苯乙烯、秸杆、纸浆和稻壳中的一种或多种。优 选松香、锯屑和聚苯乙烯。更优选来自废塑料如建筑物外层保温板的聚苯乙烯，从而能够更 有利地实现废物利用。如果成本不是考虑的主要因素，可以优选松香、以及多胺或多酸。最 优选地，还可以加入1-5重量％的固泡剂(基于干燥后的污泥重量计)，所述固泡剂优选为具 有化学式RCNHCH2Oh的酰胺类物质，出乎意料地发现这种酰胺类固泡剂能够与所述造孔剂 (优选松香）发生协同作用，使得产生的陶粒孔隙稳定且陶粒强度更高，例如陶粒强度可以 比不使用酰胺类固泡剂提高20-40%。
[0026] 本发明的上述污泥可以来自工业污水经除去挥发性有机物后进一步处理获得的 污泥。所述处理方法可以为本领域的常规污水处理方法。通过利用工业污水的污泥，还可 以使废弃物得到进一步资源化利用。
[0027] 本发明人发现，制得的陶粒的表面有许多孔隙且比较规整，与一般无机载体例如 膨润土相比，可以与110 2结合得更为牢固，另外所述陶粒的比重为0. 8-1.Og/cm3,与水的比 重较为接近，容易在水中悬浮，可以有效增加对催化剂的光照强度，从而极大地提高催化效 果。
[0028] 所述改性TiO2催化剂可以为掺杂La、Pt和Fe的TiO2催化剂，其中基于催化剂的 总重量计，La的掺杂量为0. 1-0. 5重量％，其以La2O3形式存在；Fe的掺杂量为0. 1-1. 0重 量％，其以Fe2O3形式存在；Pt的掺杂量为0.01-0. 10重量％，其以单质或吸附氧形式存在， 沉积在La203/Fe203/Ti02的表面，余量基本上为Ti02。
[0029] 1102采用本领域常规的溶胶-凝胶法制备，然后浸渍La和Fe的水溶性盐，干燥后 进行高温煅烧（300-600°C)，获得掺杂La2O3和Fe203的TiO2催化剂，即La203/Fe2O3AiO2, 再通过光沉积法在La203/Fe203/Ti0；^面沉积Pt。
[0030] 所述光沉积方法可以为如下：将一定量的H2PtCl6 · 6H20溶解在含有甲醇和蒸馏 水的1:4 (体积比）混合溶液中，将La203/Fe203/Ti02催化剂在搅拌状态下加入该溶液中，调 节PH=约3,在磁力搅拌下充分混合，然后将悬浮液在紫外光下照射6-10h，反应结束后，过 滤，用去离子水洗涤数遍，用AgNCV^液检测Cl-直至无沉淀产生，60-100°C干燥l_6h，即得 掺杂La、Pt和Fe的1102催化剂。
[0031] 可以将制得的Pt/La203/Fe203/Ti(^t化剂置于一定量水中，充分搅拌制得悬浮液， 将一定量由污泥制得的上述陶粒加入该悬浮液中，继续搅拌，使得陶粒表面包覆有催化剂 层，再在200-400°C下保持1-5小时，即得陶粒负载的改性TiO2催化剂。改性TiO2催化剂 的负载量为(基于陶粒和改性TiO2催化剂的总重量计)0. 1重量％-10. 0重量％，优选0. 5重 量％-5. 0重量％，更优选I. 0重量％-5. 0重量％。
[0032] 本发明人经过大量研究发现，La掺杂可提高催化剂的可见光催化活性，0.3重 量％的La掺杂量可以在100°C、60min内基本大部分去除制药工业污水中的气相甲苯和二 甲苯；掺入的La以La2O3的形式分布在TiO2表面，并形成Ti-O-La键，抑制二氧化钛锐钛矿 相向金红石相转变、提高相转变温度、减小晶粒尺寸及增大催化剂比表面积，另外La掺杂 可提高TiO2在可见光区的吸收，使催化剂吸收边向长波移动，据推测，La的f轨道的电子跃 迁可能是催化剂可见光活性提高的重要原因。
[0033]Pt的掺入减小了晶粒尺寸并增大了催化剂比表面积，同时增加了催化剂对紫外线 D波段中的185nm波段紫外光的吸收。
[0034]La、Fe的共掺杂抑制1102的晶型转变和晶粒生长，增强复合材料的吸光性能，提 高该催化剂的光催化性能。
[0035] 在一个优选方面，紫外线D波段中的185nm波段紫外光由紫外线发射灯管产生。所 述灯管是由含有6wt. %-8wt. %Na2O的钠钙硅玻璃制成的透明玻璃发光管，所述钠钙硅玻 璃包含：
【权利要求】
1. 一种处理工业废气的方法，该方法包括用紫外光照射所述工业废气。
2. 根据权利要求1的方法，其中所述紫外光为紫外线光波波段中的C段，波长 184. 8-185. 2nm，并且福照强度为 45-47 uw/cm2。
3. 根据权利要求1或2的方法，其包括在紫外光照射下使工业废气与负载型改性TiO 2催化剂接触。
4. 根据前述权利要求中任一项的方法，其中所述工业废气来自工业污水并且包含挥发 性有机物。
5. 根据前述权利要求中任一项的方法，其中所述紫外线D波段中的185nm波段紫外光 由紫外线发射灯管产生，其中所述灯管是由含有6 wt.%-8 wt.% Na20的钠钙硅玻璃制成的 透明玻璃发光管。
6. 根据前述权利要求中任一项的方法，其中所述负载的改性Ti02催化剂的载体为无机 物。
7. -种处理工业废气的装置，所述包含挥发性有机物的物质是工业污水，其特征在于， 所述装置包括污水收集箱体，所述污水收集箱体内四壁均安装有污水净化紫外线灯；该紫 外线灯是能够发射紫外线光波波段中的C段、为波长184. 8-185. 2nm并且辐照强度为45-47 uw/cm2的紫外线发射灯管，灯管是由含有6 wt.%-8 wt.% Na20的钠钙硅玻璃制成的透明玻 璃发光管； 优选地，所述装置包括箱体、废气净化灯、灯架轨道和控制器，所述的箱体的两端分别 开有进风口和出风口，所述的废气净化灯和所述的灯架轨道均安装在所述的箱体内，所述 的废气净化灯安装在所述的灯架轨道上，所述的控制器安装在所述的箱体外侧，且与废气 净化灯连接，所述废气净化灯即为上述紫外线灯。
8. 根据权利要求7的装置，其特征在于，所述污水收集箱体一端连接有污水池，所述污 水池一端连接有污水源；所述污水收集箱体的进口端和出口端均设有过滤装置，所述过滤 装置的滤网面积为500?1100cm2,滤网的网孔孔径为0. 1-5. Omm。
9. 根据权利要求7或8的装置，其特征在于，所述污水池底部设置有沉淀池，所述污水 池和沉淀池之间安装有防倒流格栅。
10. 根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述污水收集箱体另一端安装有排 水泵；或者，所述的废气净化灯包括灯管、灯架和镇流器，所述的镇流器和灯管均安装在所 述的灯架内侧，所述的镇流器与所述的灯管连接，所述的镇流器数量优选与所述的灯管数 量相等；另外： 优选地，所述的灯管外侧镀有保护膜，所述的保护膜为防衰减的阻挡介质； 优选地，所述的废气净化灯和所述的灯架轨道数量相等，且最少为一个； 优选地，所述的箱体、废气净化灯和灯架轨道均为耐高温、耐高压、抗紫外线和臭氧的 材料制成。
【文档编号】B01D53/74GK104492235SQ201410776736
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月17日 优先权日:2014年12月17日
【发明者】郭萌 申请人:郭萌