微波-紫外线联用的VOCs废气催化燃烧评价装置

本发明属于挥发性有机污染物处理技术领域，尤其涉及一种微波-紫外线联用的vocs废气催化燃烧评价装置。

背景技术：

在化工行业的生产过程中，会排放以苯、环己烷和二甲苯等有机组分为主的有机废气；在石油开采过程中，会排放以甲烷及低碳链烃为主的油田伴生气；在煤层开采过程中，会排放以甲烷为主的瓦斯气体。目前我国生活废气处理方式主要有卫生填埋、堆肥和焚烧3种，填埋方式存在占用和消耗大量土地资源、渗析液污染、填埋气体污染大气等缺点。堆肥方式存在分选效率低、废气可生物降解的有机物含量必须大于40％、肥料质量差等缺点。催化燃烧作为一种有效的减容减量的废气处理手段，得到了日益广泛的运用。

但是，目前催化燃烧废气存在加热不均，加热过慢，加热效率低等问题，影响废气处理量及处理效果。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种微波-紫外线联用的vocs废气催化燃烧评价装置，解决了加热不均，加热过慢，加热效率低等问题，并且能有效控制壳体温度能够使催化剂的活性达到最适程度，能有效的加快催化燃烧的反应进程和处理vocs的效果。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种微波-紫外线联用的vocs废气催化燃烧评价装置，包括微波-uv联用催化燃烧组件，所述微波-uv联用催化燃烧组件连通通气管，用于向微波-uv联用催化燃烧组件的内腔通入vocs废气；所述微波-uv联用催化燃烧组件的壳体内腔设有能够与vocs废气接触的光催化剂，所述微波-uv联用催化燃烧组件的壳体内腔能够辐射用于对废气进行消解处理的紫外线及微波；所述微波-uv联用催化燃烧组件的出气管与气相色谱仪相连，通过气相色谱仪来检测排出气体的类型并验证催化燃烧处理效果。

优选的，所述微波-uv联用催化燃烧组件包括壳体及设置于壳体侧壁上的无极紫外灯管和与波导，所述波导与磁控管相连，用于向壳体内辐射微波；所述无极紫外灯管的两端设置于壳体侧壁上，所述无极紫外灯管的管体置于壳体内部，用于向壳体内腔辐射紫外光；所述壳体的侧壁上还设有紫外线强度检测仪、测温仪及压力传感器，用于将壳体内部温度控制在光催化剂的活性范围内。

优选的，所述壳体的侧壁上还设有与温度控制仪相连的热电偶，所述热电偶的测量端延伸至壳体内腔，用于监控壳体内部温度。

优选的，所述壳体的内腔设有上下布置的导管，所述导管的顶部及底部分别在壳体上下侧壁处与通气管及出气管连通；所述导管的中部断开，形成废气燃烧区；所述光催化剂设置于废气燃烧区的中部；所述波导开口、无极紫外灯管及热电偶均设置于废气燃烧区的侧面；所述壳体的侧壁上还设有小型摄像头，用于观测壳体内部的光催化剂工作情况。

优选的，通有vocs废气的废气管及通有空气的空气管通过三通阀与进气管相连，所述进气管、通气管及出气管通过四通阀与气相色谱仪相连。

优选的，所述废气管及空气管上均设有气体质量流量计，用于控制vocs废气与空气的混合比例为1:2。

优选的，所述无极紫外灯管为四个、且前后横向设置于光催化剂的左右两侧；所述波导为两个、且错位设置于壳体的左右两侧，所述波导设置于无极紫外灯管的外侧；所述热电偶设置于同侧的两个无极紫外灯管之间；所述测温仪设置于壳体的侧壁前方，所述紫外线强度检测仪设置于壳体的侧壁上。

优选的，所述光催化剂为负载型co3o4-tio2光催化剂。

优选的，所述微波-uv联用催化燃烧组件设置于箱体内，所述微波-uv联用催化燃烧组件的前侧设有开门，所述通气管通过支架固定于箱体内壁上；所述废气管、空气管、三通阀、气体质量流量计及温度控制仪均设置于箱体内、且置于微波-uv联用催化燃烧组件的一侧。

优选的，所述开门的一侧设有多层隔板，所述废气管、空气管、气体质量流量计及温度控制仪分别设置于不同隔板上；所述三通阀及四通阀均设置于隔板前部的侧板上。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本发明中的微波-uv联用催化燃烧组件，采用微波激发启动无极紫外灯管；在微波-uv联用催化燃烧组件内腔放置光催化剂，利用微波及紫外线辐射的方式使废气中挥发性有机物的分子键断裂，由大分子有机物转化为小分子有机物，更能够对其燃烧处理；最后通过气相色谱仪来检测排出气体的类型并验证催化燃烧处理效果。本发明利用紫外线及微波辐射对内部废气进行消解处理，加热完成废气的催化燃烧，会使废气中有机物分解的更彻底，vocs处理的更彻底。利用本发明能够为工业化处理废气提供数据支持。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的微波-紫外线联用的vocs废气催化燃烧评价装置的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的微波-紫外线联用的vocs废气催化燃烧评价装置的俯视图。

图3为本发明实施例提供的微波-紫外线联用的vocs废气催化燃烧评价装置中催化燃烧组件的外部结构图。

图4为图3中催化燃烧组件内部结构的空间布局图。

图5为本发明的工艺原理图。

附图标记：1.壳体；2.通气管；3.磁控管；4.波导；5.无极紫外灯管；6.热电偶；7.测温仪；8.小型摄像头；9.光催化剂；10.微波-uv联用催化燃烧组件；

11.箱体；12.支架；13.气体质量流量计；14.三通阀；15.四通阀；

16.流量控制器；17.温度控制仪；18.导管；19.出气管；20.废气管；21.空气管；22.气相色谱仪；23.开门；24-进气管；25-保温层；26-紫外线强度检测仪。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-3所示，一种微波-紫外线联用的vocs废气催化燃烧评价装置，包括微波-uv联用催化燃烧组件10，所述微波-uv联用催化燃烧组件10连通通气管2，用于向微波-uv联用催化燃烧组件10的壳体1内腔通入vocs废气；所述微波-uv联用催化燃烧组件10的壳体1内腔设有能够与vocs废气接触的光催化剂9，所述微波-uv联用催化燃烧组件10的壳体1内腔能够辐射用于对废气进行消解处理的紫外线及微波；所述微波-uv联用催化燃烧组件10的出气管19与气相色谱仪22相连，通过气相色谱仪来检测排出气体的类型并验证催化燃烧处理效果。

在本发明的一个具体实施例中，如图3、4所示，所述微波-uv联用催化燃烧组件10包括壳体1及设置于壳体1侧壁上的无极紫外灯管5和与波导4，所述波导4与磁控管3相连，用于向壳体1内辐射微波；所述无极紫外灯管5的两端设置于壳体1侧壁上，所述无极紫外灯管5的管体置于壳体1内部，用于向壳体1内腔辐射紫外光；所述壳体1的侧壁上还设有紫外线强度检测仪26、测温仪7及压力传感器（图中未画出），利用紫外线强度检测仪26保证无极紫外灯管5发出紫外线波长为185nm，将壳体1内部温度控制在光催化剂9的最适宜活性范围内，并将壳体内的压力控制在安全范围内。该方案的工艺原理图5所示。

具体制作时，测温仪选用红外测温仪。采用微波加热的形式代替传统的电加热方式，能够大大提高加热速率，提高能量的利用率。同时，由于微波的作用能够使一些挥发性有机物的分子键断裂，由大分子有机物转化为小分子有机物，更利于对其进行燃烧处理。

进一步优化上述技术方案，如图3所示，所述壳体1的侧壁上还设有与温度控制仪17相连的热电偶6，所述热电偶6的测量端延伸至壳体1内腔，用于监控壳体1内部温度。

在本发明的一个具体实施例中，如图3、4所示，所述壳体1的内腔设有上下布置的导管18，所述导管18的顶部及底部分别在壳体1上下侧壁处与通气管2及出气管19连通；所述导管18的中部断开，形成废气燃烧区；所述光催化剂9设置于废气燃烧区的中部；所述波导4开口、无极紫外灯管5及热电偶6均设置于废气燃烧区的侧面；所述壳体1的侧壁上还设有小型摄像头8，用于观测壳体1内部的光催化剂工作情况。

进一步优化该方案，在导管18的外部包裹保温层25，能够有效的保证废气催化燃烧所需温度；小型摄像头8采用耐温材料制作；同时在壳体侧面设置排气管。其中，保温层25可采用硅油保温层，借助硅油透波好、吸波差的特性，能够在保证微波透过的同时，对导管也起到保护作用。因为波长为185nm紫外线光（uv光）在消解有机废气的同时也会与空气中的氧气反应产生臭氧，臭氧滞留在壳体的腔体内部，会导致壳体内部压力增大，压力传感器会将压力的变化反应到接收器（图中未画出）中，接收器收到压力传感器的信号后控制排气管中的封口打开，同时打开排气扇（图中未画出），及时排除产生在壳体内部的气体，减少内部压力。采用该结构可使废气沿导管自上而下流经壳体的内腔，流动的废气能很大程度上解决了微波穿透深度小和加热不均的缺陷。

另外，为了有效利用有机废气消解过程中产生的臭氧，可在进气管24与导管18的交界处安装臭氧氧化室，利用与壳体连通的回流管将其内部产生的臭氧回流至臭氧氧化室，可对进气管输送的有机废气进行氧化预处理，进一步提高有机废气的处理效果。

为了方便在线监测进入微波-uv联用催化燃烧组件10内部的废气中vocs的浓度，通有vocs废气的废气管20及通有空气的空气管21通过三通阀14与进气管24相连，所述进气管24、通气管2及出气管19通过四通阀14与气相色谱仪22相连。同时，在废气管20及空气管21上均安装气体质量流量计13，将vocs废气与空气的混合比例控制在1:2。废气管20及空气管21均与流量控制器16相连，透过流量控制器16控制两个质量流量计，进而实现废气管20内vocs（挥发性有机物）的流量以及空气管21内空气的流量的分别控制，实现对vocs废气的稀释预处理，进而能够控制进入微波-uv联用催化燃烧组件10内部的废气浓度。

在本发明的一个具体实施例中，如图3、4所示，所述无极紫外灯管5为四个、且前后横向设置于光催化剂9的左右两侧；所述波导4为两个、且错位设置于壳体1的左右两侧，所述波导4设置于无极紫外灯管5的外侧；所述热电偶6设置于同侧的两个无极紫外灯管5之间；所述测温仪7设置于壳体1的侧壁前方，所述紫外线强度检测仪26设置于壳体1的侧壁上。在该实施例中，磁控管的功工作率为1kw。当壳体腔体内的磁控管通电后，开始工作辐射微波。在微波的作用下激发无极紫外线灯管工作，发散出uv光，uv光对vocs具有很强的消解作用，vocs在催化氧化的同时收到uv光的消解作用，会分解的更彻底，vocs处理的更彻底。

在具体实施时，所述光催化剂为负载型co3o4-tio2光催化剂，其制备方法包括以下步骤：

（1）tio2制备：将钛酸四丁酯和氨水按照8-10：1-3的质量体积比混合搅拌均匀得到钛酸四丁酯的氨水溶液，质量体积比的单位为g/ml，水浴加热至生成tio2晶粒；将上述混合物在特氟隆灭菌容器中进行灭菌，灭菌后100-130℃干燥至恒重，然后用去离子水冲洗，在100-105℃下干燥9-12h，放入马弗炉中400-450℃热处理2-4h。其中，钛酸四丁酯浓度为2.85mol/l，氨水的浓度为9.52-11.11mol/l。

（2）co3o4制备：将浓度为10mm硝酸钴溶液缓慢加入到浓度为12mm碳酸钠溶液中，磁力搅拌约40-60min后离心分离，去离子水和无水乙醇交替洗涤，干燥，在400-450℃马弗炉下煅烧2-4h。其中，硝酸钴溶液与碳酸钠溶液的体积比为1：1-2。

（3）将tio2和co3o4调成黏糊状涂覆到ni网，得到负载型co3o4-tio2催化剂。其中，tio2和co3o4的质量比为2-4：1-3。

以下为三个具体实施例：

实施例1：（1）tio2制备：将钛酸四丁酯和氨水按照8：1的质量体积比混合搅拌，质量体积比的单位为g/ml，水浴加热至结晶完全。钛酸四丁酯在氨水体系中的水解产物ti(oh)4,随着反应温度的升高，脱水缩合成钛酸聚集体，得到的聚集体生成生长基元，随着浓度的变化，在过饱和环境下生长基元进而成核，即在水浴加热环境下水热反应生成tio2。

其中，钛酸四丁酯浓度为2.85mol/l，氨水的浓度为9.52mol/l。

将上述混合物移至特氟隆灭菌容器中进行灭菌，灭菌后100℃干燥至恒重，然后用去离子水冲洗，在100℃下干燥9h，放入马弗炉中400℃热处理3h。

（2）co3o4制备：将浓度为10mm硝酸钴溶液缓慢加入到浓度为12mm碳酸钠溶液中，磁力搅拌约50min后，去离子水和无水乙醇交替洗涤，干燥，在400℃马弗炉下煅烧2h；

其中，硝酸钴溶液与碳酸钠溶液的体积比为1：1。

（3）将tio2和co3o4调成黏糊状涂覆到ni网，得到负载型co3o4-tio2催化剂。其中，tio2和co3o4的质量比为2:1。

实施例2：

（1）tio2制备：将钛酸四丁酯和氨水按9：2的质量体积比混合搅拌，质量体积比的单位为g/ml，水浴加热至结晶完全。

其中，钛酸四丁酯浓度为2.85mol/l，氨水的浓度为10mol/l。

将上述混合物移至特氟隆灭菌容器中进行灭菌，灭菌后120℃干燥至恒重，然后用去离子水冲洗，在103℃下干燥11h，放入马弗炉中450℃热处理2h。

（2）co3o4制备：将浓度为10mm硝酸钴溶液缓慢加入到浓度为12mm碳酸钠溶液中，磁力搅拌约40min后，去离子水和无水乙醇交替洗涤，干燥，在430℃马弗炉下煅烧3h；

其中，硝酸钴溶液与碳酸钠溶液的体积比为1：2。

（3）将tio2和co3o4调成黏糊状涂覆到ni网，得到负载型co3o4-tio2催化剂。其中，tio2和co3o4的质量比3:2。

实施例3：

（1）tio2制备：将钛酸四丁酯和氨水按照10：3的质量体积比混合搅拌，质量体积比的单位为g/ml，水浴加热至结晶完全。

其中，钛酸四丁酯浓度为2.85mol/l，氨水的浓度为11.11mol/l。

将上述混合物移至特氟隆灭菌容器中进行灭菌，灭菌后130℃干燥至恒重，然后用去离子水冲洗，在105℃下干燥12h，放入马弗炉中430℃热处理4h。

（2）co3o4制备：将浓度为10mm硝酸钴溶液缓慢加入到浓度为12mm碳酸钠溶液中，磁力搅拌约60min后，去离子水和无水乙醇交替洗涤，干燥，在450℃马弗炉下煅烧4h；

其中，硝酸钴溶液与碳酸钠溶液的体积比为1：1。

（3）将tio2和co3o4调成黏糊状涂覆到ni网，得到负载型co3o4-tio2催化剂。其中，tio2和co3o4的质量比为4:3。

其中，ni网为由金属ni编制成网状，具有良好的吸波性能。将tio2和co3o4用松油醇调成均匀的糊状，再用细毛笔涂覆到ni网上，tio2和co3o4的比例课根据催化反应调整。

鉴于tio2的禁带宽度大、导带位置低，利用半导体金属氧化物修饰表面，将它与禁带宽度小、导带位置高的半导体复合时，光生电子会迅速注入tio2的导带，有利于光生电子和空穴的分离与转移，提高量子效率。而在半导体金属氧化物中，co3o4呈尖晶石立方结构的混合氧化态，对微波等电磁波具有较好的敏感性，是一种良好的复合材料，同时在光催化过程中，co3o4具有2.1ev的窄带隙和优异的氧化能力，可通过电荷的分离和传输与tio2组成掺杂催化剂，提高光催化活性。

上述负载型co3o4-tio2光催化剂通过co3o4与tio2掺杂，可以提高单一tio2对紫外（uv）及微波（mw）的敏感性，并在微波电磁场中可获得大量的电磁生活性氧化基，同时在电磁波辐射下，催化剂材料会产生热点效应，催化剂表面热点的实际温度要远高于表观温度，对催化反应有极大的促进作用；同时微波等离子体激发的紫外光能使催化剂表面产生电子-空穴对，电子-空穴对能与空气中的氧气和水反应，生成·oh、ho2·等强氧化性自由基，从而将有机物（vocs）有效转化无机矿化分子，彻底降解vocs。负载型co3o4-tio2光催化剂对微波及紫外光都有优异的敏感性，在微波-紫外场中催化效率较高，更有利于降解有机污染物。

在本发明的一个具体实施例中，如图1、2所示，所述微波-uv联用催化燃烧组件10设置于箱体11内，所述微波-uv联用催化燃烧组件10的前侧设有开门23，所述通气管通过支架12固定于箱体11内壁上；所述废气管10、空气管11、三通阀14、气体质量流量计13、流量控制器16及温度控制仪17均设置于箱体11内、且置于微波-uv联用催化燃烧组件10的一侧。采用该结构可将各部件整合到箱体内，整体结构更紧凑，避免管线缠绕导致现场混乱。

为了充分利用箱体内部空间，具体制作时，在开门的一侧设有多层隔板，所述废气管20、空气管21、气体质量流量计13、流量控制器16及温度控制仪17分别设置于不同隔板上；所述废气管20与空气管21通过三通阀14与进气管24相连，所述进气管24、通气管2及出气管19通过四通阀15与气相色谱仪22相连；所述三通阀14及四通阀15均设置于隔板前部的侧板上。

本发明的具体工作过程如下：

vocs（挥发性有机物）通过废气管进入，从空气管鼓入空气，废气管与空气管内的气体会经过三通阀后汇合，即废气在进入四通阀之前得到1:2的混合稀释，作为废气的预处理，同时利用两个质量流量计对两种气体的流量进行控制，以控制对vocs的稀释比例保持在1:2左右。

稀释后的气体经过四通阀后进入到壳体内。接通电源并按下磁控管的开关后，磁控管工作，辐射出微波，微波对流入壳体的气体加热及对整个壳体内腔进行加热，硅油保温层能够有效保护导管。另外，微波的辐射消解了一部分的有机废气，同时辐射的微波激发了无极紫外灯管，无极紫外灯管工作后散发出uv光同时对vocs进行消解作用，在微波、uv光、催化燃烧的联合处理下更提升了对vocs的处理效果。

通过小型热电偶连接温度控制仪，显示在温控仪上温度的数值能够可以实时监测出壳体内的温度。同时利用红外测温仪和压力传感器能实时监控内部温度情况和压力情况，利用紫外线强度检测仪来检测壳体内的紫外线强度。利用小型高清摄像头实时监控内部光催化剂的使用变化情况。通过在壳体尾部安装随开随用的排气管，当壳体内部压力过高时，压力传感器会将变化反应到接收器，接收器收到压力传感器的信号后控制排气管上的电磁阀，控制排气管的进口打开同时打开排气扇，及时排除产生在壳体内部的气体，减少内部压力。

经过催化燃烧处理的废气通过出气管经过四通阀排出，经过气相色谱仪来检测排气气体类型并验证处理效果。

综上所述，采用本发明提供的微波-紫外线联用的vocs废气催化燃烧评价装置，具有以下有益效果：

1、本发明是基于催化燃烧技术，利用了微波选择性、穿透性和即时性的加热优势，将微波能直接作用于有机物污染物，使大分子有机污染物分子键断裂，转化成小分子物质，更能够被燃烧处理。

2、本发明的无极紫外灯管通过微波电磁辐射的形式激发产生，启动和关闭迅速，能迅速散发紫外光消解的vocs，在uv光和微波能的作用下更能加大对vocs的消解效果，再以催化剂的催化作用为辅，整体装置的催化燃烧效果更为显著，对vocs的处理效果也更好。

3、本发明通过控制磁控管电源按钮来控制磁控管的运行数量，进而控制对装置的加热功率，同时借助红外测温仪和压力传感器随时监控装置内部的温度变化情况；而在催化剂腔体内部又插入了热电偶测温，其温度数据会传输到温度控制仪内，能同时监控整个催化燃烧装置内部和腔体内部的温度情况。压力传感器能将装置内部的压力情况反馈到接收器中，接收器能通过控制排气管的启闭和排气扇的工作的方式来控制气体的排出，整个装置内部温度，压力能得到有效控制。

4、本发明通过耐高温材料制作的小型摄像头，能随时监控壳体内部光催化剂的工作变化情况，能实时监控催化燃烧的实际情况。

在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。