CN114602491B - 低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化系统、催化膜及其制备方法 - Google Patents
低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化系统、催化膜及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化系统、催化膜及其制备方法，所述催化膜包括：载体涂层，由第一氧化物蒸镀形成，且所述第一氧化物为碱性氧化物；以及催化层，所述催化层通过蒸镀形成于所述载体涂层上，且所述催化层的组成中包括第二氧化物、第三氧化物以及第四氧化物，其中，所述第二氧化物以及第四氧化物为酸性氧化物，所述第三氧化物为碱性氧化物。本发明可以解决现有技术中的常用苯醛酮类VOCs气体处理方法净化效率不高、存在安全隐患以及适用浓度范围窄的问题。
Description
技术领域
本发明涉及挥发性有机物处理技术领域，尤其涉及一种低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化系统、催化膜及其制备方法。
背景技术
挥发性有机物(Volatile Organic Compounds，VOCs)是指在正常状态下(20℃，101.3kPa)，蒸气压在0.1mmHg(13.3Pa)以上，沸点在260℃(500℉)以下的有机化学物质，其成分复杂，有特殊气味且具有渗透、挥发及脂溶等特性，具有毒性、刺激性及致畸致癌作用，其中苯、甲苯、二甲苯、甲醛等对人体健康的危害最大，长期接触会使人患上贫血症与白血病。
VOCs多半具有光化学反应性，在阳光照射下，VOCs会与大气中的NOx发生化学反应，形成二次污染物(如：臭氧等)或强化学活性的中间产物(如：自由基等)，从而增加烟雾及臭氧的地表浓度，会对人造成生命危险，同时也会危害农作物的生长，甚至导致农作物的死亡。由光化学反应所造成的烟雾，除了能降低能见度之外，所产生的臭氧、过氧乙酰硝酸酯(PAN)、过氧苯酰硝酸酯(PBN)、醛类等物质可刺激人的眼睛和呼吸系统，危害人的身体健康，伦敦、东京等城市都相继出现过光化学烟雾污染事件。
目前苯醛酮类VOCs常用的处理方法有吸收法、冷凝法、吸附法、生物法、热氧化法、光催化法、等离子体法等，正在开发的有电化学法、膜分离法、电子床加热法等。但是冷凝法适用于有可回收价值的高浓度废气处理，由于其回收效率有限，装置末端的冷凝气需通过二次处理方能达标排放。冷凝法、吸收法、吸附法本身无法净化分解苯醛酮类VOCs，均需要二次处理。生物法适用于亨利系数小于1的气体，并且难以降解比较复杂和化学稳定性强的污染物。光氧与等离子法在净化苯醛酮类VOCs的同时，会产生大量臭氧。臭氧作为破坏臭氧层的主要气体，也被列入环境部管控范围内。蓄热氧化技术(RTO)、直燃式焚烧技术(TO)、蓄热催化氧化技术(RCO)、催化燃烧技术(CO)技术中，由于其净化效率、空速与进气浓度密切相关，在浓度波动情况下，效率不稳定，且存在安全隐患。而且，RCO与CO在催化苯系污染物、醛类、酮类、短链脂肪酸混合污染气体时，需要保持催化室温度在240℃及以上方能达到排放标准，且适用于中高浓度的废气处理，浓度过高或过低都会影响RCO和CO的净化效率。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化系统、催化膜及其制备方法，以解决现有技术中的常用苯醛酮类VOCs处理方法净化效率不高、存在安全隐患以及适用浓度范围窄的问题。
为达上述目的，本发明提供一种低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化膜，所述催化膜包括：载体涂层，由第一氧化物蒸镀形成，且所述第一氧化物为碱性氧化物；以及催化层，所述催化层通过蒸镀形成于所述载体涂层上，且所述催化层的组成中包括第二氧化物、第三氧化物以及第四氧化物，其中，所述第二氧化物以及第四氧化物为酸性氧化物，所述第三氧化物为碱性氧化物。
作为可选的技术方案，所述第一氧化物选自三氧化二铝、二氧化铈、氧化铍、氧化钙、三氧化二镓、三氧化二镧、氧化镁、五氧化二铌、氧化镨、三氧化二钕、二氧化硅、五氧化二钽、氧化钍、二氧化钛、氧化锌、二氧化锆中任意一种或多种的混合物。
作为可选的技术方案，所述第二氧化物以及第四氧化物均选自七氧化二锰、三氧化锰、三氧化铬、三氧化钼、五氧化二镍、三氧化钨、五氧化二锰、二氧化镍、二氧化钴中的任意一种或多种的混合物；所述第三氧化物选自三氧化二镧、三氧化二钕、氧化钙、氧化镨、氧化钍、氧化锌、氧化镁、二氧化硅、氧化锆、三氧化二镓、氧化铍、氧化钛、三氧化二铝、五氧化二铌中的任意一种或多种的混合物。
作为可选的技术方案，所述第一氧化物为由多种氧化物组成的混合物，所述多种氧化物中的其中一种的重量百分比为10％～30％。
作为可选的技术方案，所述第一氧化物包括二氧化硅40份，氧化镨12份，氧化锌4份。
作为可选的技术方案，所述第一氧化物包括三氧化二铝25份，三氧化二镧5份，氧化钙5份，二氧化铈5份。
作为可选的技术方案，所述第一氧化物包括二氧化锆25份，二氧化钛10份，三氧化二钕25份，氧化镁10份，五氧化二铌30份。
作为可选的技术方案，所述第二氧化物、第三氧化物以及第四氧化物的重量比为1：1：2～0.5：1.5：2。
作为可选的技术方案，所述催化层的组成包括四氧化三钴5份，二氧化锆5份，锰10份。
作为可选的技术方案，所述催化层的组成包括氧化钼8份，氧化镍20份，氧化铬25份。
本发明还提供一种如上所述的低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化膜的制备方法，所述制备方法包括：于载体的表面蒸镀所述第一氧化物形成所述载体涂层；以及，于所述载体涂层远离所述载体的表面上蒸镀所述第二氧化物形成所述催化层。
本发明还提供一种低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化系统，所述催化系统包括依次连通的风机、加热模块以及催化模块，所述催化模块内具有催化管道，所述催化管道内填装有如上所述的低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化膜；其中，所述苯醛酮类VOCs气体自所述风机的进气口进入所述风机，并经所述风机出气口进入所述加热模块，经所述加热模块预热后进入所述催化模块的催化管道，并与所述催化膜发生氧化反应后自所述催化模块的出口排出。
作为可选的技术方案，所述催化管道的温度小于等于180℃。
作为可选的技术方案，所述催化系统还包括控制模块，所述控制模块分别控制连接所述风机、所述加热模块以及所述催化模块。
与现有技术相比，本发明提供一种低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化膜，并应用于苯醛酮类VOCs气体的催化系统中，能够在低温下甚至80℃以下高效分解苯系污染物、醛类、酮类、短链脂肪酸等常规VOCs，能源消耗低，节约能源的同时也保证了安全性，且不受进气浓度限制。此外，本发明处理工艺简单，设备运行简单，通过控制模块操作，稳定方便易管理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化系统的简单示意图。
具体实施方式
为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明提供一种低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化膜，所述催化膜包括载体涂层以及催化层，其中，上述载体涂层由第一氧化物蒸镀形成，所述第一氧化物例如为碱性氧化物，亦即第一氧化物为具有碱性的金属氧化物。所述催化层通过蒸镀形成于所述载体涂层上，且所述催化层的组成中包括第二氧化物、第三氧化物以及第四氧化物，其中，所述第二氧化物以及第四氧化物为酸性氧化物，亦即第二氧化物以及第四氧化物均为具有酸性的金属氧化物或偏酸性的金属氧化物，所述第三氧化物为碱性氧化物。
其中，上述蒸镀方式例如为电子枪或电阻蒸镀的方式，而且当蒸镀源为多种氧化物时，采用多源共蒸的方式。
本发明的催化膜中，载体涂层作为催化膜的基层，本发明中选取碱性氧化物来作为第一氧化物，因为碱性氧化物的表面对酸性气体的吸附能力强。而且催化层中通过酸碱性不同的金属氧化物的结合配置，能够提高氧化催化剂(DOC)的NO氧化能力和NO氧化能力的稳定性。
其中，具体的例如，所述第一氧化物例如选自三氧化二铝、二氧化铈、氧化铍、氧化钙、三氧化二镓、三氧化二镧、氧化镁、五氧化二铌、氧化镨(Pr6O11)、三氧化二钕、二氧化硅、五氧化二钽、氧化钍(ThO2)、二氧化钛、氧化锌、二氧化锆中任意一种或多种的混合物。而且通过对上述各个碱性氧化物进行二氧化碳的容积吸附量以及热量吸附量测定，测试结果如下：
上述碱性氧化物对酸性气体的体积吸附能力为：三氧化二镧＞三氧化二钕＞氧化钙＞Pr6O11＞ThO2＞氧化锌＞氧化镁＞二氧化硅＞氧化锆＞三氧化二镓＞氧化铍＞氧化钛＝三氧化二铝＞五氧化二铌；
上述碱性氧化物对酸性气体的热量吸附能力为：氧化钙＞氧化锌＞三氧化二钕＞三氧化二镧＞氧化镁＞ThO2＞Pr6O11＞氧化钛＞三氧化二铝＞氧化锆＞氧化铍＞三氧化二镓＞五氧化二铌。
另外，所述第二氧化物以及第四氧化物例如均选自七氧化二锰、三氧化锰、三氧化铬、三氧化钼、五氧化二镍、三氧化钨、五氧化二锰、二氧化镍、二氧化钴中的任意一种或多种的混合物。而且通过对上述各个酸性氧化物进行氨气的容积吸附量以及热量吸附量测定，测试结果如下：
七氧化二锰＞＞三氧化锰＞三氧化铬＞三氧化钼＞五氧化二镍＞三氧化钨＞五氧化二锰＞二氧化镍＞二氧化钴。
此外，所述第三氧化物可以与所述第一氧化物相同或不同，所述第三氧化物例如亦选自三氧化二镧、三氧化二钕、氧化钙、氧化镨、氧化钍、氧化锌、氧化镁、二氧化硅、氧化锆、三氧化二镓、氧化铍、氧化钛、三氧化二铝、五氧化二铌中的任意一种或多种的混合物。
另外，综合考虑上述氧化物本身的比表面积和稳定性，较佳地，所述第一氧化物为由多种氧化物组成的混合物，而且较佳地，所述多种氧化物中的其中一种的重量百分比为10％～30％。
其中一实施例中，所述第一氧化物例如包括二氧化硅40份，氧化镨12份，氧化锌4份。
其中另一实施例中，所述第一氧化物例如包括三氧化二铝25份，三氧化二镧5份，氧化钙5份，二氧化铈5份。
其中再一实施例中，所述第一氧化物例如包括二氧化锆25份，二氧化钛10份，三氧化二钕25份，氧化镁10份，五氧化二铌30份。
其中一实施例中，所述第二氧化物、第三氧化物以及第四氧化物的重量比例如为1：1：2～0.5：1.5：2。
其中一实施例中，所述催化层的组成例如包括四氧化三钴5份，二氧化锆5份，锰10份。
其中另一实施例中，所述催化层的组成例如包括氧化钼8份，氧化镍20份，氧化铬25份。
此外，本发明还提供一种如上所述低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化膜的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
于载体的表面蒸镀所述第一氧化物形成所述载体涂层；以及
于所述载体涂层远离所述载体的表面上蒸镀所述第二氧化物形成所述催化层。
其中，上述载体例如为沸石、电纺纳米纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维、泡沫陶瓷和合金丝网中的一种或者几种的组合。
上述蒸镀方式可以是采用多发射源共蒸离子反应方法，亦即电子束或激光蒸发器以及电阻蒸发器均设置有多个，同时设置离子发生器以及多根导气管，实现多物料共蒸发及多离子反应结合，能够快速合成目标产物。
另外，请参见图1，图1为本发明的低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化系统的简单示意图，本发明还提供一种低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化系统，所述催化系统包括依次连通的风机1、加热模块2以及催化模块3，所述催化模块3内具有催化管道，所述催化管道内填装有如上所述低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化膜；其中，所述苯醛酮类VOCs气体自所述风机1的进气口11进入所述风机1，并经所述风机1的出气口12进入所述加热模块2，经所述加热模块2预热后进入所述催化模块3的催化管道，并与所述催化管道内的催化膜发生氧化反应后自所述催化模块3的出口31排出。
亦即苯醛酮类VOCs气体先通过加热模块2预热，再进入催化模块3，通过催化膜时，苯醛酮类VOCs气体与催化膜接触，并发生氧化反应分解为水和二氧化碳，从而实现苯醛酮类VOCs气体的处理。
此催化系统并不限制苯醛酮类VOCs气体的浓度，且所述催化管道的温度低于等于180℃，甚至可以更低，提高了操作的安全性。
此外，所述催化系统还可包括控制模块，所述控制模块分别控制连接所述风机1、所述加热模块2以及所述催化模块3。控制模块例如采用PLC控制模块，系统自动化控制，操作简单，并可搭配人机界面监控重要操作数据，对整个催化处理工艺进行灵活、准确控制，提高整个工艺的稳定性和可控性。
另外，所述风机的进气口连通集气罩，集气罩用以集中收集苯醛酮类VOCs气体。
而且，在风机和加热模块之间还可设置吸附模块，内放置活性炭等吸附物质，以对苯醛酮类VOCs气体中的粉尘进行吸附。
加热模块内可设置加热板或其他加热元件，以及温控仪，温控仪用以控制加热模块的温度。
以下结合具体实施例来对本发明进行进一步的说明。
实施例1
本实施例中，采用多发射源共蒸离子反应方法，将三氧化二铝(25份)、三氧化二镧(5份)、氧化钙(5份)、二氧化铈(5份)放入蒸镀坩埚中共蒸形成低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化膜的载体涂层；将氧化钼(8份)、氧化镍(20份)、氧化铬(25份)放入蒸镀坩埚中共蒸于载体涂层上形成低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化膜的催化层，从而形成实施例1的低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化膜。
将本实施例中形成的低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化膜应用于本发明的上述催化系统的催化模块的催化管道中，并自风机的进气口通入苯醛酮类VOCs气体，苯醛酮类VOCs气体依次经过风机、加热模块后进入催化模块与所述催化管道内的催化膜发生氧化反应后自所述催化模块的出口排出。其中，催化管道内的温度：80～150℃，风机进风口处苯醛酮类VOCs的浓度为936mg/m3，经本发明的低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化系统处理后，催化模块的出口处苯醛酮类VOCs的浓度为6mg/m3，净化效率达到99.36％。
实施例2
本实施例中，采用多发射源共蒸离子反应方法，将二氧化硅40份、氧化镨12份、氧化锌4份放入蒸镀坩埚中共蒸形成低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化膜的载体涂层；将三氧化钨5份、五氧化二钽15份、氧化锰20份放入蒸镀坩埚中共蒸于载体涂层上形成低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化膜的催化层，从而形成实施例2的低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化膜。
将本实施例中形成的低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化膜应用于本发明的上述催化系统的催化模块的催化管道中，并自风机的进气口通入苯醛酮类VOCs气体，苯醛酮类VOCs气体依次经过风机、加热模块后进入催化模块与所述催化管道内的催化膜发生氧化反应后自所述催化模块的出口排出。其中，催化管道内的温度：50～80℃，风机进风口处苯醛酮类VOCs的浓度为969mg/m3，经本发明的低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化系统处理后，催化模块的出口处苯醛酮类VOCs的浓度为177mg/m3，净化效率达到81.73％。
实施例3
本实施例中，采用多发射源共蒸离子反应方法，将三氧化二铝25份、三氧化二镧5份、氧化钙5份、二氧化铈5份放入蒸镀坩埚中共蒸形成低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化膜的载体涂层；将四氧化三钴5份、二氧化锆5份、氧化锰10份放入蒸镀坩埚中共蒸于载体涂层上形成低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化膜的催化层，从而形成实施例3的低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化膜。
将本实施例中形成的低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化膜应用于本发明的上述催化系统的催化模块的催化管道中，并自风机的进气口通入苯醛酮类VOCs气体，苯醛酮类VOCs气体依次经过风机、加热模块后进入催化模块与所述催化管道内的催化膜发生氧化反应后自所述催化模块的出口排出。其中，催化管道内的温度：常温，风机进风口处苯醛酮类VOCs的浓度为15mg/m3，经本发明的低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化系统处理后，催化模块的出口处苯醛酮类VOCs的浓度检测结果为未检出，净化效率甚至＞99.99％。
从上述实施例中可以很明显地看出，虽然催化处理温度不高(低于150℃)，但是本发明的催化系统对苯醛酮类VOCs气体的净化效率很高，甚至能达到99.99％。
综上所述，本发明提供一种低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化膜，并应用于苯醛酮类VOCs气体的催化系统中，能够在低温下甚至80℃以下高效分解苯系污染物、醛类、酮类、短链脂肪酸等常规VOCs，能源消耗低，节约能源的同时也保证了安全性，且不受进气浓度限制。此外，本发明处理工艺简单，设备运行简单，通过控制模块操作，稳定方便易管理。
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。此外，上面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。
Claims (9)
1.一种低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化膜，其特征在于，所述催化膜包括：
载体涂层，由第一氧化物蒸镀形成，且所述第一氧化物为碱性氧化物；以及
催化层，所述催化层通过蒸镀形成于所述载体涂层上，且所述催化层的组成中包括第二氧化物、第三氧化物以及第四氧化物，其中，所述第二氧化物以及第四氧化物为酸性氧化物，所述第三氧化物为碱性氧化物；
其中，所述第一氧化物为由多种氧化物组成的混合物，所述多种氧化物中的其中一种的重量百分比为10％～30％；
所述第二氧化物、第三氧化物以及第四氧化物的重量比为1：1：2～0.5：1.5：2。
2.如权利要求1所述的低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化膜，其特征在于，所述第一氧化物选自氧化钙、三氧化二镧、氧化镁、氧化镨、三氧化二钕、氧化钍、二氧化锆中任意一种或多种的混合物。
3.如权利要求1所述的低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化膜，其特征在于，所述第二氧化物以及第四氧化物均选自七氧化二锰、三氧化锰、三氧化铬、三氧化钼、五氧化二镍、三氧化钨、五氧化二锰、二氧化镍、二氧化钴中的任意一种或多种的混合物；所述第三氧化物选自三氧化二镧、三氧化二钕、氧化钙、氧化镨、氧化钍、氧化镁、氧化锆、氧化钛中的任意一种或多种的混合物。
4.如权利要求1所述的低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化膜，其特征在于，所述催化层的组成包括四氧化三钴5份，二氧化锆5份，锰10份。
5.如权利要求1所述的低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化膜，其特征在于，所述催化层的组成包括氧化钼8份，氧化镍20份，氧化铬25份。
6.一种如权利要求1-5中任意一项所述的低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
于载体的表面蒸镀所述第一氧化物形成所述载体涂层；以及
于所述载体涂层远离所述载体的表面上蒸镀所述第二氧化物、第三氧化物以及第四氧化物形成所述催化层。
7.一种低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化系统，其特征在于，所述催化系统包括依次连通的风机、加热模块以及催化模块，所述催化模块内具有催化管道，所述催化管道内填装有如权利要求1-5中任意一项中所述的低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化膜；
其中，所述苯醛酮类VOCs气体自所述风机的进气口进入所述风机，并经所述风机出气口进入所述加热模块，经所述加热模块预热后进入所述催化模块的催化管道，并与所述催化膜发生氧化反应后自所述催化模块的出口排出。
8.如权利要求7所述的低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化系统，其特征在于，所述催化管道的温度小于等于180℃。
9.如权利要求7所述的低温净化苯醛酮类VOCs气体的催化系统，其特征在于，所述催化系统还包括控制模块，所述控制模块分别控制连接所述风机、所述加热模块以及所述催化模块。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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