CN101081303B - 空气自净法治理潜艇废气的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种治理废气的方法，特别是涉及一种治理潜艇废气的方法。本发明主要针对目前治理废气的方法不能一次性处理多种有害气体、存在着二次污染以及设备投资大、能耗高的问题，提供一种采用液相催化法，利用空气自身来有效地消除多种有害气体的方法。该方法主要是在常温或加热的条件下，使废气中的氢气、一氧化碳、二氧化硫、卤化氢、氮氧化物等有害气体与空气中的氧和装置中的水在催化剂的作用下，生成无毒的二氧化碳、水或能溶于水的无机酸类物质，或有害气体相互作用生成无毒的二氧化碳等物质。该方法能有效去除多种有害气体，基本上无二次污染；催化剂一次投入，长期使用活性如初，因此能耗低，维持费用低。

Description

空气自净法治理潜艇废气的方法

技术领域

本发明涉及一种治理废气的方法，特别是涉及一种治理潜艇废气的方法。

背景技术

潜艇特别是核潜艇由于长期潜水封闭作业，机体运转、人员呼吸及人体自然散发等原因产生大量的有害气体，如氢气、一氧化碳、二氧化硫、氯气、卤化氢、氮氧化物、氨气、甲醛、甲酸、丙烯醛、乳酸等多类毒害气体，如不及时处理，将严重影响工作人员的身体健康。目前，核潜艇在治理废气方面主要采用二氧化锰、钯粉即氧化钯和活性炭滤气，氟里昂净化，等离子体、乙醇胺吸收剂及催化氧化除气。有的方法是处理专一有害气体的，作用单一；有的需要特殊吸收剂，成本高；而且这些方法都存在着趋势较大的吸附平衡和化学平衡的问题，无法达到毒害气体零排放的高标准。有的除气方法采用的装置则造价高，一次性投资大，能耗高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种采用液相催化法，利用空气自身来有效地消除多种有害气体的空气自净法治理潜艇废气的方法。

本发明是通过如下的技术方案来实现上述目的的：该空气自净法治理潜艇废气的方法，包括如下顺序的步骤：(1)将潜艇舱内的废气送入装有填料的治理废气的装置中，装置中添加水和氧化态金属盐类催化剂；(2)在常温下，废气中的氢气、一氧化碳、二氧化硫、卤化氢、氮氧化物与空气中的氧和装置中的水在催化剂的作用下，生成无毒的二氧化碳、水或能溶于水的无机酸类物质；废气中的氯气也分别与氢气和一氧化碳相互反应生成二氧化碳和盐酸；废气中的氨气则被装置中的酸性介质吸收，生成对催化剂无毒而易溶于水的铵盐，进一步缓慢氧化得氮气；(3)在装置中的加热器加热和催化剂的作用下，废气中的甲醛，甲酸，丙烯醛与空气中的氧反应，生成无毒的二氧化碳和水；(4)在装置中加入变价元素的氧化态助剂，装置中反应后转化得到的还原态金属盐催化剂则被氧化态助剂复原成活性的氧化态金属盐催化剂；而此后的还原态助剂则被空气中的氧气和混有的氯气氧化而复原成氧化态助剂；(5)经过治理装置净化后的空气经装置中的净化气出口通道排放到舱体中，如果空气在净化过程中因须加热而升温后需要冷却，通过净化气出口通道中的冷凝回流装置冷却后再排入舱体中，汽化的溶剂水经冷凝回流装置冷凝成液态水回流入装置里；当装置里的水积得太多时，启用分水器进行分水；当气体不须净化时，启用旁通管直接将空气回放到舱体中。

本发明的治理潜艇废气的方法通过在装置中加入水和催化剂以及利用装置的加热器加热，采用液相催化空气自净法使空气中的气体相互作用生成无毒的二氧化碳、水和能溶于水的无机酸等物质来达到消除毒害气体的目的。这种治理潜艇废气的方法能有效去除多种有害气体，基本上无二次污染；催化剂一次投入，长期使用活性如初，因此能耗低，维持费用低。并且采用该方法的专用装置结构简单、体积小、重量轻、造价低、操作方便，操作技术易掌握。

附图说明

图1是本发明治理潜艇废气的专用装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图描述本发明所采用的专用装置。

参见图1，本装置包括一个内装有填充材料的主体1，在主体1的底部一侧连接有废气进气通道14，另一侧连接有催化剂出口通道12。在废气进气通道14上设有气体传动装置8，舱中的废气由气体传动装置8送入主体1内进行净化。在催化剂出口通道12上设有阀门13，当需要减少或排出催化剂时，即打开阀门13。在主体1内的底部设有加热器2，当需要加热时，可使用此加热器。在主体1的顶部设有添料装置9，催化剂由此添料装置口添入，在添料装置9与主体1的连接通道上设有阀门11，需要添入催化剂等时，打开此阀门；在添料装置9的顶部和底部之间设置有气压平衡管10，当主体1内的气压大于大气压导致添料下落困难时，可起到平衡气压的作用。由图1中可见，主体1的顶部还设有一个液面观察窗3。

从图1中还可见，在主体1的顶部连通有净化气出口通道17。在净化气出口通道17上连接有与水平线倾斜角度为大于零度小于或等于九十度的冷凝回流装置4；冷凝回流装置4的内部通道与净化气出口通道17相通，冷凝回流装置4的内部通道外罩有外壳，外壳的下部连接有冷却水出水管15、上部连接有冷却水进水管16，当在主体1中加热净化后的空气流经冷凝回流装置时，被冷却水冷却后再排放到舱中，因为冷却水是从外壳的上部进入外壳的下部，因此水、气逆流进行，有利热交换。冷凝回流装置4的内部通道的下端底部连接有分水器5，分水器5的顶部和底部分别设有阀门6和阀门7、旁边设有液面指示仪23。从液面观察窗3观察到如果主体1内因氢气转化的水积得太多，就把阀门6打开，关闭阀门7，这时用来收集回流装置的冷凝水；通过分水器5上的液面指示仪23观察到冷凝水收集到一定量时，关闭阀门6，打开阀门7，把冷凝水排出。

从图1中还可看到，在废气进气通道14的进口处设有旁通管18，旁通管18的出口与净化气出口通道17相连，旁通管18的进、出口处分别设有阀门22和阀门20；废气进气通道14进入主体1的分支通道上设有阀门21，而净化气出口通道17与冷凝回流装置4相通的分支通道上也设有阀门19。当检测到空气很干净时，可关闭阀门21和阀门19，打开阀门22和阀门20，这时空气不经过废气处理装置处理而直接排放到舱内；如果空气需要净化处理，则打开阀门21和阀门19，关闭阀门22和阀门20，空气进入废气处理装置进行净化处理后再排放到舱内。

本发明采用上述专用装置来治理潜艇废气的方法则包括如下顺序的步骤：

(1)将潜艇舱内的废气送入装有填料的治理废气的装置的主体1内，从装置主体1顶部的添料装置9中添加水和氧化态金属盐类催化剂到主体1中；

(2)在常温下，废气中的氢气、一氧化碳、二氧化硫、卤化氢、氮氧化物与空气中的氧和装置中的水在催化剂的作用下，生成无毒的二氧化碳、水或能溶于水的无机酸类物质；废气中的氯气也分别与氢气和一氧化碳相互反应生成二氧化碳和盐酸；废气中的氨气则被装置中的酸性介质吸收，生成对催化剂无毒而易溶于水的铵盐，进一步缓慢氧化得氮气；

(3)在装置中的加热器加热和催化剂的作用下，废气中的甲醛，甲酸，丙烯醛与空气中的氧反应，生成无毒的二氧化碳和水；

(4)在装置主体1中加入变价元素的氧化态助剂，装置中反应后转化得到的还原态金属盐催化剂则被氧化态助剂复原成活性的氧化态金属盐催化剂；而此后的还原态助剂则被空气中的氧气和混有的氯气氧化而复原成氧化态助剂；

(5)经过治理装置净化后的空气经装置中的净化气出口通道17排放到舱体中，如果空气在净化过程中因须加热而升温后需要冷却，可通过净化气出口通道中的冷凝回流装置4冷却后再排入舱体中，汽化的溶剂水经冷凝回流装置4冷凝成液态水回流入装置的主体1内；当装置主体1内的水积得太多时，启用分水器5进行分水；当气体不须净化时，启用旁通管18直接将空气排放到舱体中。

上述方法中第(1)步所述氧化态金属盐催化剂中的金属元素是Pt、Pd、Os元素中的一种，上述第(4)步所述变价元素的氧化态助剂中的变价元素是Fe、Mo、Cu、As、P、V元素中的一种或几种。

上述催化剂使用的温度大于0℃，pH小于3。

上述方法中第(2)步的净化过程中所发生的化学反应可用如下的方程式来表示：

(一)空气净化一氧化碳的催化反应：

(二)空气氧化氢气的催化反应：

(三)溶剂水溶解卤化氢的净化原理：

生成物进入净化装置能增强除废效果。

(四)空气氧化二氧化硫的催化反应：

H₂SO₄进入净化装置增强除废效果。

(五)空气氧化氮氧化物的反应：

HNO₃进入净化装置增强除废效果。

(六)氢气和氯气毒害气体互除的催化反应：

HCl进入净化装置能增强除废效果

(七)一氧化碳和氯气有毒气体互除的催化反应：

(八)介质吸收氨气的净化原理：

NH₄ ⁺进入净化装置无损除废效果。

上述方法中第(3)步的净化过程中所发生的化学反应可用如下的方程式来表示：

(一)空气氧化甲醛(醛类)的催化反应：

(二)空气氧化甲酸的催化反应：

(三)空气氧化丙烯醛的催化反应：

下面以空气中的毒害气体一氧化碳和氢气为例来说明本发明的催化原理：

(一)氧化态金属盐氧化一氧化碳和氢气被还原成还原态金属，其化学反应方程式是：

根据化学热力学基础知识可计算出上述反应的平衡常数K≈10²⁵

同理可计算出上述反应的平衡常数K≈10²¹

进而可知一氧化碳、氢气的分压(含量)：

$p\left(\mathrm{CO}\right)=\frac{p\left({\mathrm{co}}_2\right)\×{\left[H^{+}\right]}^2}{\left[M\left(\mathrm{II}\right)\right]\×K}\≈{10}^{-22}\mathrm{Pa}$

$p\left(H_2\right)=\frac{{\left[H^{+}\right]}^2}{\left[M\left(\mathrm{II}\right)\right]\×K}\≈{10}^{-20}\mathrm{Pa}$

(二)还原态金属M(0)被助剂Nⁿ⁺氧化而复原成氧化态金属盐：

(三)还原态助剂N^(n-1)+被空气或氯气氧化而复原成氧化态助剂Nⁿ⁺

实验表明Cl₂比O₂更易进行此反应。其中：M表示Pd、Pt、Os元素；N表示Fe、Mo、Cu、As、P、V元素。

上述反应中的催化剂使用的温度大于0℃，pH小于3。催化剂耐温耐湿耐腐蚀性强，对除潜艇废气而言几乎可永久使用，在必要时稍加处理易再生。

下面通过实验对本发明作进一步的论述：

具体操作方法如下：

催化反应在填有玻璃纤维的大号具支试管中进行，催化剂用量30mL[含0.6gPd(II)/100gH₂O]水溶液，pH＝0，反应温度20℃，反应气组成为0.5％CO(NH₃、SO₂、H₂、HCl)、20％O₂(Ar气稀释，流量100mL/min)，产物经浓硫酸干燥(检测NH₃时用碱石灰干燥)后用GC-8A气相色谱仪(热导池检测器)分析。

采用本发明的技术进行实验后，对CO、SO₂、H₂、HCl等物进行GC气相色谱测定，未检出被测物。

催化剂失活与再生实验：

只用CO通入催化剂，使催化剂有效成分全转变成还原态而完全失活。向完全失活的催化剂中仅通入空气，催化剂有效成分的还原态全转变成氧化态而完全复活。

催化剂使用寿命实验：

重复催化剂失活与再生实验300次后，催化剂的催化活性如初。

向空气中混入0.5％CO，在室温下连续通入催化剂90天，未见催化剂失效。

Claims (2)

1.一种空气自净法治理潜艇废气的方法，其特征在于包括如下顺序的步骤：

(1)将潜艇舱内的废气送入装有填料的治理废气的装置中，装置中添加水和氧化态金属盐类催化剂；所述氧化态金属盐类催化剂中的金属元素是Pt、Pd、Os元素中的一种；

(2)在常温下，废气中的氢气、一氧化碳、二氧化硫、卤化氢、氮氧化物与空气中的氧和装置中的水在催化剂的作用下，生成无毒的二氧化碳、水或能溶于水的无机酸类物质；废气中的氯气也分别与氢气和一氧化碳相互反应生成二氧化碳和盐酸；废气中的氨气则被装置中的酸性介质吸收，生成对催化剂无毒而易溶于水的铵盐，进一步缓慢氧化得氮气；

(3)在装置中的加热器加热和催化剂的作用下，废气中的甲醛，甲酸，丙烯醛与空气中的氧反应，生成无毒的二氧化碳和水；

(4)在装置中加入变价元素的氧化态助剂，装置中反应后转化得到的还原态金属盐催化剂则被氧化态助剂复原成活性的氧化态金属盐催化剂；而此后的还原态助剂则被空气中的氧气和混有的氯气氧化而复原成氧化态助剂；所述变价元素的氧化态助剂中的变价元素是Fe、Mo、Cu、As、P、V元素中的一种或几种。

(5)经过治理装置净化后的空气经装置中的净化气出口通道排放到舱体中，如果空气在净化过程中因须加热而升温后需要冷却，通过净化气出口通道中的冷凝回流装置冷却后再排入舱体中，汽化的溶剂水经冷凝回流装置冷凝成液态水回流入装置里；当装置里的水积得太多时，启用分水器进行分水；当气体不须净化时，启用旁通管直接将空气排放到舱体中。

2.根据权利要求1所述的空气自净法治理潜艇废气的方法，其特征在于：催化剂使用的温度大于0℃，pH小于3。

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