一种一体式VOCs吸附浓缩‑催化氧化降解转轮装置的制作方法

本实用新型涉及一种一体式VOCs吸附浓缩-催化氧化降解转轮及其双功能吸附催化材料，属于工业尾气中有机气体吸附浓缩-催化氧化降解的气体净化技术领域。

背景技术：

挥发性有机化合物VOCs(Volatile Organic Compounds)是一类具有较高蒸汽压、常温常压下容易挥发的有机化合物，如苯、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、醛、酯、醇、酮等([1]吴永文，李忠，奚红霞，许科峰，韩静磊，郭建光，VOCs污染控制技术与吸附催化材料)。VOCs广泛来源于精细化工、石油化工、制药、电子元件制造、印刷、汽车尾气等([2]Chang CT,Lee CH,Wu YP,etc.Resources,Conservation and Recylcing,2002,34,117)，其排放到空气中对环境造成极大危害，如破坏臭氧层，形成光化学烟雾、导致雾霾等；也对人体健康造成极大威胁，如导致呼吸道疾病甚至致癌等(孙铁衍，周启星，李培军，污染生态学，北京：科学出版社，2001)。因此，世界各国政府对VOCs的控制高度重视，颁布了日趋更为严格的工业尾气排放标准。因此，发展行之有效的VOCs治理技术迫在眉睫。

当前，对于中低浓度(100～2000mg/m³)的VOCs污染控制，主要有吸附、催化燃烧、光催化降解、等离子体技术、直接燃烧等等。其中，转轮式吸附被认为是一种经济有效的治理技术，也已应用到了工业尾气VOCs的治理中。转轮式吸附是一种可连续进行吸附和脱附的气体净化技术，其主要通过转轮的吸附区来吸附气体中的VOCs，从而实现气体净化的目标；与此同时，在吸附区富集的VOCs不断转入脱附区，被反向吹扫的热空气脱附解吸，脱附区的吸附剂得以再生又不断转入吸附区进行吸附操作；而从脱附区脱附下来的VOCs被收集起来进行集中处理。

然而，当前的VOCs转轮技术存在一定的瓶颈，主要包括：(1)VOCs经转轮富集-解吸后仍需后续处理装置，如通过一个催化燃烧销毁装置进行彻底降解等，结构不紧凑，能耗和成本均较高；(2)现有的VOCs吸附-再生转轮在再生过程中VOCs不易完全脱除，导致转轮循环使用时吸附效率会不断下降，因而需要间歇性的停工，对转轮上不易脱附的VOCs做进一步处理。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺点与不足，本实用新型的首要目的在于提供一种一体式VOCs吸附浓缩-催化氧化降解转轮装置及其工艺。这种一体式VOCs吸附浓缩-催化氧化降解转轮结构紧凑，能耗和再生成本相比现有技术低，连续循环使用性能稳定，可在吸附-再生循环操作下实现工业尾气中VOCs的连续性净化，达到工业尾气的国家排放标准，为工业有机尾气的治理提供了重要参考。

本实用新型的目的通过如下技术方案实现：

一种一体式VOCs吸附浓缩-催化氧化降解转轮装置，包括转轮、圆形外壳、第一泵、加热器、第二泵、电机、圆形外壳和轴；所述转轮包括转轮吸附区和转轮催化氧化区；

所述转轮通过传送带与电机连接；所述转轮通过轴设置于圆形外壳内部；所述第一泵与圆形外壳连接；所述第二泵与圆形外壳连接；所述加热器与圆形外壳连接；所述转轮上均匀附着有双功能吸附催化剂；其中，所述第一泵与圆形外壳连接处正对转轮吸附区区域，所述第二泵与圆形外壳连接处正对转轮催化氧化区区域，所述加热器与圆形外壳连接处正对转轮催化氧化区。

进一步地，所述转轮吸附区和转轮催化氧化区的面积比例为1/7～1/2。

进一步地，所述双功能吸附催化剂的材料形貌为蜂窝式、瓦楞式或颗粒式；基底材料为堇青石、氧化铝、纯硅分子筛、钛硅分子筛或硅铝分子筛；负载活性组分为金属氧化物或混合金属氧化物；制备方法为浸渍法、共沉淀法。

进一步地，所述双功能吸附催化剂中，金属氧化物质量百分数为0.5～20wt.％，比表面积在25～1000m²/g范围，孔径尺寸在1.2～4.0nm范围，孔容在0.2～0.8cm³/g范围。

一种一体式VOCs吸附浓缩-催化氧化降解转轮，它的结构为：

a)转轮分成两个扇形区，转轮吸附区和转轮催化氧化区组成；在常温的转轮吸附区实现VOCs的吸附浓缩，在加热的转轮催化氧化区实现浓缩VOCs的催化氧化完全降解成CO₂和水，与此同时，转轮催化氧化区上的双功能吸附催化剂本身得到再生，转回到转轮吸附区循环使用；

b)转轮上均匀附着有双功能吸附催化剂。

一种一体式VOCs吸附浓缩-催化氧化降解转轮工艺，包括如下步骤：

a)有机废气由泵带入转轮吸附区，废气中的VOCs在转轮吸附区发生吸附，排出净化气体；

b)转轮吸附区上的材料趋于吸附饱和时，转入转轮催化氧化区，在高温空气气氛下，转轮上浓缩的VOCs被吸附催化剂表面的催化位所催化氧化，生成CO₂和水排出；转轮催化氧化区(2)上的双功能吸附催化剂本身得到再生；

c)经再生的吸附催化剂转回到转轮吸附区循环使用。

上述工艺中，所述转轮吸附区的温度为20～30℃，所述转轮催化氧化区的温度为150～300℃。

上述工艺中，所述有机废气的浓度为100～2000mg/m³。

本实用新型VOCs吸附浓缩-催化氧化降解转轮结构简单，结合图1，其工作原理是：

1.有机废气由泵带入转轮吸附区1，废气中的VOCs被转轮吸附区1中吸附催化材料表面的吸附位所吸附，从而得到净化，净化后的空气则通过送风机3送出。随着吸附VOCs的增加，转轮吸附区1渐渐趋于饱和状态。为了维持其稳定的吸附脱除VOCs的性能，就需要对转轮中的吸附催化剂进行再生，此时，趋于饱和的转轮在电机6的驱动下，慢慢转入再生区域，开始再生过程。

2.空气经过加热器4加热后正向吹入转轮催化氧化区2，在高温状态下，转轮上浓缩的VOCs被吸附催化剂表面的催化位所催化氧化，生成CO₂和水，被风机5引导排出；与此同时，转轮催化氧化区2上的双功能吸附催化剂本身得到再生，恢复了吸附能力，在电机6的驱动下，转回到转轮吸附区1循环使用。

3.吸附催化剂为双功能吸附-催化材料，其表面同时配置VOCs吸附位和催化位：吸附位可以在常温下吸附废气中的VOCs；催化位可在高温空气气氛下催化氧化表面吸附浓缩的VOCs；催化位和吸附位可以相同或不同。

本实用新型相对于现有的VOCs吸附-再生转轮技术，具有如下的优点及效果：

1.结构紧凑，能耗和成本都会降低：现有VOCs吸附-再生转轮仅能实现废气中VOCs的浓缩，后续仍需对浓缩的VOCs进行后处理，如增加催化燃烧反应器；而本实用新型一体式VOCs吸附浓缩-催化氧化降解转轮在吸附-再生循环操作下，仅通过转轮就可实现工业尾气中VOCs的连续性净化，无需进行后续再处理；

2.连续循环使用性能稳定：现有VOCs吸附-再生转轮再生过程中VOCs不易完全脱除，导致转轮循环使用时吸附效率也不断下降；而本实用新型一体式VOCs吸附浓缩-催化氧化降解转轮再生过程中VOCs会完全转化成CO₂和水，易脱附，从而保证了转轮连续循环使用的性能稳定性，达到工业尾气的国家排放标准。

附图说明

图1为一体式VOCs吸附浓缩-催化氧化降解转轮示意图；

图2为一体式VOCs吸附浓缩-催化氧化降解转轮正面示意图；

图3为解转轮与电机的连接示意图。

图中各个部件如下：

转轮吸附区 1、转轮催化氧化区 2、第一泵 3、加热器 4、第二泵 5、电机 6、圆形外壳 7、轴 8。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型做进一步描述，但本实用新型的实施方式并不限于此。

一种一体式VOCs吸附浓缩-催化氧化降解转轮装置，包括转轮、圆形外壳、第一泵3、加热器4、第二泵5、电机6、圆形外壳7和轴8；所述转轮包括转轮吸附区1和转轮催化氧化区2；所述转轮通过传送带与电机6连接；所述转轮通过轴8设置于圆形外壳7内部；所述第一泵3与圆形外壳7连接；所述第二泵5与圆形外壳7连接；所述加热器4与圆形外壳7连接；所述转轮上均匀附着有双功能吸附催化剂；其中，所述第一泵3与圆形外壳7连接处正对转轮吸附区1区域，所述第二泵5与圆形外壳7连接处正对转轮催化氧化区2区域，所述加热器4与圆形外壳7连接处正对转轮催化氧化区2。所述转轮吸附区1和转轮催化氧化区2的面积比例为1/7～1/2。所述双功能吸附催化剂的材料形貌为蜂窝式、瓦楞式或颗粒式；基底材料为堇青石、氧化铝、纯硅分子筛、钛硅分子筛或硅铝分子筛；负载活性组分为金属氧化物或混合金属氧化物；制备方法为浸渍法、溶胶固定法、共沉淀法。所述双功能吸附催化剂中，金属氧化物质量百分数为0.5～20wt.％，比表面积在25～1000m²/g，孔径尺寸在1.2～4.0nm，孔容在0.2～0.8cm³/g。

实施例1

(1)一种一体式VOCs吸附浓缩-催化氧化降解转轮装置：

转轮分成两个扇形区，转轮吸附区1和转轮催化氧化区2组成，转轮吸附区1和转轮催化氧化区2的面积比例为1/3；转轮上均匀附着有双功能吸附催化剂，其材料形貌为蜂窝式；基底材料为堇青石；负载活性组分为Pd-Ce混合金属氧化物；制备方法为浸渍法。具体制备方法为：将Ce(NO₃)₃·6H₂O 20ml，0.35mol/L水溶液浸渍在堇青石10g中，120℃干燥10h，400℃煅烧4h；然后将酸性PdCl₂(pH＝2.5)溶液5ml，0.19mol/L浸渍于上述载体中，120℃干燥10h，400℃煅烧4h，制得Pd-Ce/堇青石双功能吸附催化剂。

(2)一种一体式VOCs吸附浓缩-催化氧化降解转轮工艺：

浓度为500mg/m³的有机废气由泵带入温度为25℃的转轮吸附区1，废气中的VOCs在转轮吸附区1发生吸附，排出净化气体；转轮吸附区1上的材料趋于吸附饱和时，慢慢转入温度为200℃的转轮催化氧化区2，在200℃下，转轮上浓缩的VOCs被吸附催化剂表面的催化位所催化氧化，生成CO₂和水排出；转轮催化氧化区2上的双功能吸附催化剂本身得到再生；经再生的吸附催化剂转回到转轮吸附区1循环使用。VOCs去除率>98％，达到工业尾气的国家排放标准。

实施例2

(1)一种一体式VOCs吸附浓缩-催化氧化降解转轮装置：

转轮分成两个扇形区，转轮吸附区1和转轮催化氧化区2组成，转轮吸附区1和转轮催化氧化区2的面积比例为1/7；转轮上均匀附着有双功能吸附催化剂，其材料形貌为颗粒式；基底材料为γ-氧化铝；负载活性组分为Cu-Mn-Ce-Zr混合金属氧化物；制备方法为共沉淀法。具体制备方法为：将Cu(NO₃)₂ 1.05g，Mn(NO₃)₂ 1.26g，CeO₂ 0.88g，Zr(OH)₄ 1.65g溶解于100ml去离子水中，配成盐溶液，加入γ-氧化铝10g中，以氨水作为沉淀剂缓慢加人反应溶液中，调节pH值为12，陈化12h，过滤，洗涤，90℃下干燥2h，400℃煅烧4h，制得Cu-Mn-Ce-Zr/γ-氧化铝双功能吸附催化剂。

(2)一种一体式VOCs吸附浓缩-催化氧化降解转轮工艺：

浓度为200mg/m³的有机废气由泵带入温度为20℃的转轮吸附区1，废气中的VOCs在转轮吸附区1发生吸附，排出净化气体；转轮吸附区1上的材料趋于吸附饱和时，慢慢转入温度为300℃的转轮催化氧化区2，在300℃空气气氛下，转轮上浓缩的VOCs被吸附催化剂表面的催化位所催化氧化，生成CO₂和水排出；转轮催化氧化区2上的双功能吸附催化剂本身得到再生；经再生的吸附催化剂转回到转轮吸附区1循环使用。VOCs去除率>95％，达到工业尾气的国家排放标准。

实施例3

(1)一种一体式VOCs吸附浓缩-催化氧化降解转轮装置：

转轮分成两个扇形区，转轮吸附区1和转轮催化氧化区2组成，转轮吸附区1和转轮催化氧化区2的面积比例为1/2；转轮上均匀附着有双功能吸附催化剂，其材料形貌为瓦楞式；基底材料为纯硅分子筛；负载活性组分为Pt-Ce混合金属氧化物；制备方法为共沉淀法。具体制备方法为：将H₂PtCl₆·6H₂O 5ml,0.19mol/L和Ce(NO₃)₃·6H₂O 20ml,0.35mol/L水溶液的混合溶液中加入纯硅分子筛10g，用0.1mol/L NaOH水溶液调节pH值到8.5左右，在80℃搅拌1h，过滤，洗涤，100℃干燥10h，400℃煅烧2h，制得Pt-Ce/纯硅分子筛双功能吸附催化剂。

(2)一种一体式VOCs吸附浓缩-催化氧化降解转轮工艺：

浓度为500mg/m³的有机废气由泵带入温度为28℃的转轮吸附区1，废气中的VOCs在转轮吸附区1发生吸附，排出净化气体；转轮吸附区1上的材料趋于吸附饱和时，慢慢转入温度为150℃的转轮催化氧化区2，在150℃空气气氛下，转轮上浓缩的VOCs被吸附催化剂表面的催化位所催化氧化，生成CO₂和水排出；转轮催化氧化区2上的双功能吸附催化剂本身得到再生；经再生的吸附催化剂转回到转轮吸附区1循环使用。VOCs去除率>95％，达到工业尾气的国家排放标准。

实施例4

(1)一种一体式VOCs吸附浓缩-催化氧化降解转轮装置：

转轮分成两个扇形区，转轮吸附区1和转轮催化氧化区2组成，转轮吸附区1和转轮催化氧化区2的面积比例为1/4；转轮上均匀附着有双功能吸附催化剂，其材料形貌为颗粒式；基底材料为钛硅分子筛；负载活性组分为Ag-Fe混合金属氧化物；制备方法为共沉淀法。具体制备方法为：将AgNO₃ 5ml，0.19mol/L和Fe(NO₃)₂的水溶液20ml，1.05mol/L的混合溶液中加入钛硅分子筛，用0.1mol/L NaOH水溶液调节pH值到12，沉淀老化5h，过滤，洗涤，100℃干燥10h，400℃煅烧2h，制得Ag-Fe/钛硅分子筛双功能吸附催化剂。

(2)一种一体式VOCs吸附浓缩-催化氧化降解转轮工艺：

浓度为100mg/m³的有机废气由泵带入温度为25℃的转轮吸附区1，废气中的VOCs在转轮吸附区1发生吸附，排出净化气体；转轮吸附区1上的材料趋于吸附饱和时，慢慢转入温度为250℃的转轮催化氧化区2，在250℃空气气氛下，转轮上浓缩的VOCs被吸附催化剂表面的催化位所催化氧化，生成CO₂和水排出；转轮催化氧化区2上的双功能吸附催化剂本身得到再生；经再生的吸附催化剂转回到转轮吸附区1循环使用。VOCs去除率>98％，达到工业尾气的国家排放标准。

实施例5

(1)一种一体式VOCs吸附浓缩-催化氧化降解转轮装置：

转轮分成两个扇形区，转轮吸附区1和转轮催化氧化区2组成，转轮吸附区1和转轮催化氧化区2的面积比例为1/5；转轮上均匀附着有双功能吸附催化剂，其材料形貌为蜂窝式；基底材料为硅铝分子筛；负载活性组分为Pd-Ni混合金属氧化物；制备方法为浸渍法。具体制备方法为：将Ni(NO₃)₂水溶液20ml，0.70mol/L浸渍在10g硅铝分子筛中，120℃干燥10h，400℃煅烧4h；然后将酸性PdCl2(pH＝2.5)溶液5ml，0.19mol/L浸渍于上述载体中，120℃干燥10h，400℃煅烧4h，制得Pd-Ni/硅铝分子筛双功能吸附催化剂。

(2)一种一体式VOCs吸附浓缩-催化氧化降解转轮工艺：

浓度为1500mg/m³的有机废气由泵带入温度为30℃的转轮吸附区1，废气中的VOCs在转轮吸附区1发生吸附，排出净化气体；转轮吸附区1上的材料趋于吸附饱和时，慢慢转入温度为200℃的转轮催化氧化区2，在200℃空气气氛下，转轮上浓缩的VOCs被吸附催化剂表面的催化位所催化氧化，生成CO₂和水排出；转轮催化氧化区2上的双功能吸附催化剂本身得到再生；经再生的吸附催化剂转回到转轮吸附区1循环使用。VOCs去除率>95％，达到工业尾气的国家排放标准。

本实用新型提出一种一体式VOCs吸附浓缩-催化氧化降解转轮工艺，其使用吸附催化剂的孔隙结构、VOCs降解性能如下：

(1)孔隙结构

采用美国Micromeritics ASAP 2010型比表面积和孔隙分布测试仪测试了本实用新型制备的系列吸附催化剂的比表面积(S_BET)、孔径分布(Pore size)和孔容(V_Total)，结果如表1所示。表1示出，吸附催化剂的比表面积在25～1000m²/g范围，孔径尺寸在1.2～4.0nm范围，孔容在0.2～0.8cm³/g范围。

表1 本实用新型实施例中5种吸附催化剂的孔结构参数

(2)VOCs浓度的测定

应用便携式VOCs检测仪测定尾气中VOCs的进出口浓度，计算得到VOCs去除率。五个实施例的VOCs去除率分别为98，95，95，98，95％，达到工业尾气的国家排放标准。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。