一种等离子体激发光电催化降解VOCs的方法技术

本发明专利技术公开了一种等离子体激发光电催化降解VOCs的方法，该方法可将多种VOCs在低温下彻底降解为CO2、H2O，并且通过彻底降解积碳前体物质消除催化剂积碳；在筒状阴极和蜂窝阳极间空隙中填充包覆有发光材料和光电催化剂的绝缘小球，发光材料在电压下电致发紫外光，激发绝缘小球表面及蜂窝阳极表面负载的光电催化剂，实现光催化性能；同时在等离子体及各高活性物质的协同作用下，体系中光电催化材料电催化能力得以大幅提升；本发明专利技术将光催化、电催化、低温等离子结合在同一反应体系中，通过一定电压实现各类难降解VOCs的彻底降解，同时可有效避免降解过程中催化剂积碳失活的问题。有效避免降解过程中催化剂积碳失活的问题。有效避免降解过程中催化剂积碳失活的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种等离子体激发光电催化降解VOCs的方法


[0001]本专利技术属于VOCs高效降解
，具体涉及一种等离子体激发光电催化彻底降解VOCs且防止催化剂积碳失活的方法。

技术介绍

[0002]VOCs包括非甲烷烃类( 烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃等) 、含氧有机物 ( 醛、酮、醇、醚等) 、含氯有机物、含氮有机物、含硫有机物等，其主要工业来源为石油冶炼行业、油漆、建筑、垃圾焚烧等。现有的VOCs净化技术（吸附吸收、直接燃烧、催化燃烧等）对VOCs降解能力有限，产物复杂，对烟气温度、含水率、含硫量要求高，且降解过程中催化剂极易产生积碳，使催化剂永久失活。
[0003]为实现各类VOCs高效降解，等离子体耦合催化剂技术、光电协同催化技术受到广泛关注，例如：专利技术《耦合低温等离子体去除VOCs的氧化镍催化剂制备方法及应用》（CN113617357A）采用一种空心杨梅状氧化镍耦合等离子体对VOCs进行降解，可提高产物中CO2的选择性，但其填充方式与催化电极联系不紧密，且对催化剂积碳情况并未提供相关依据；《一种用于光热协同等离子体催化降解甲苯的催化剂及其制备方法和应用》（CN111203211B）采用多级片层结构的石墨烯基二氧化锰纳米片协同等离子体催化降解VOCs，其采用光热耦合等离子体方式消耗的能量更高，且对烟气温度有一定的要求，不适用于大规模应用；《光催化协同低温等离子体处理有机废气的装置》（CN204447756U）通过将反应区域划分为第一光催化单元、第一等离子体单元、第二光催化单元等区域将光催化与等离子体在结构上耦合，但其结合只是单从结构上耦合，且催化剂受烟气含水率、透光度、含硫量的影响较大，对积碳的控制没有提及。《一种用于VOCs处理的蓄热式催化燃烧装置》（CN111780140B）采用两个金属网型催化剂自动交替投入使用，实现自动对积碳情况严重的金属网型催化剂进行清理作业。但所采用的蓄热式燃烧对VOCs气体温度、水含量要求高，且对于高温下难降解的VOCs降解效率低。

技术实现思路

[0004]针对以上问题，本专利技术提供了一种能在低于180℃的低温下对各类VOCs进行彻底降解，使其降解尾气只含CO2和H2O，同时对烟气中水分含量、硫含量要求低，且能从源头上防止催化剂积碳失活的方法。
[0005]本专利技术等离子体激发光电催化彻底降解VOCs且防止催化剂积碳失活的方法，该方法将含VOCs的气体通入等离子体激发光电催化组件，经过等离子体激发光电催化组件彻底催化降解为CO2、H2O后排出，催化降解过程中能防止催化剂积碳失活；其中等离子体激发光电催化组件包括绝缘外壳、筒状阴极、蜂窝状阳极、布气板、绝缘小球、集气室，绝缘外壳套装在筒状阴极外侧，蜂窝状阳极设置在绝缘外壳中心处，筒状阴极与蜂窝状阳极之间的腔室内填充有绝缘小球，绝缘外壳一端设置有进气口，布气板设置在绝缘外壳且位于进气口一侧，绝缘外壳另一端设置有出气口，集气室设置在在绝缘外壳且位于出气口一侧，蜂窝状
阳极表面负载有光电催化剂，绝缘小球上包覆有光电催化剂和发光材料混合物的涂层，筒状阴极（3）、蜂窝状阳极分别与电源连接。
[0006]将0kV~30kV脉冲电压、直流电压施加于筒状阴极及蜂窝阳极上，在电压激发下体系内气体电离，形成高活性低温等离子体，同时电压激发反应空间内填充的发光材料，使其电致发紫外光，蜂窝阳极表面光电催化剂、绝缘小球上的光电催化剂同时具有光电催化能力，在等离子辅助下具有极强氧化能力，可使各类VOCs及其降解中间产物快速彻底降解为CO2、H2O，由于中间产物的彻底降解，可从源头上阻止积碳产生，从而使催化剂长时间高效稳定运行。
[0007]含VOCs的气体中氧含量为0.01%~20%，温度为0~180℃，湿度低于80%。
[0008]筒状阴极为镍板、钛板、镍钛合金板、不锈钢板中的一种焊接为筒状电极，或由镍丝、钛丝、镍钛合金丝、不锈钢丝中的一种或多种编制焊接制得带20
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200目孔的筒状电极。
[0009]蜂窝阳极由镍丝、钛丝、镍钛合金丝中的一种或多种编制为空隙率大于70%的圆柱状阳极；蜂窝阳极表面通过电沉积的方式直接负载一种或多种光电催化剂在编织好的蜂窝阳极上；或采用电沉积先在镍丝、钛丝、镍钛合金丝表面负载一种或多种的光电催化剂后再编织为圆柱状阳极；其光电催化剂负载厚度为0.1~5mm。
[0010]绝缘小球为石英小球、玻璃小球、多孔陶瓷小球等绝缘不导电材料，并将其作为基体，在基体上涂负发光材料与光电催化剂混合的混合物，其中发光材料占混合物总质量的30
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50%，所填充的小球直径小于5dm；小球上的涂层厚度为0.01~2mm。
[0011]光电催化剂为MnO
x
、SnO
x
、TiO
x
、CeO2、NiO
x
及相关改性材料、过渡金属氧化物、钙钛矿（ABO3型，其中A、B为两种不同类型金属）及其改性材料中的一种或几种。
[0012]上述发光材料和光电催化剂均为常规市售产品或按常规方法制得的，例如通过溶胶凝胶、水热法、模板法、全溶液旋涂法制得。
[0013]本专利技术方法实施时，将工业废气以0.1～1m/s速度由等离子体激发光电催化组件进气口通入，蜂窝阳极和筒状阴极与电源连接，在0kV～30kV脉冲电压、直流电压作用下，筒状阴极与蜂窝阳极内侧的负载发光材料及光电催化剂的绝缘小球作为介质阻挡放电中介质，在高电压下介质阻挡放电产生具有高催化氧化活性低温等离子体、高能电子（2~20eV）、自由基以及活性粒子，同时介质空隙中也可电晕放电产生高活性等离子体等活性物质，并与蜂窝阳极上的光电催化剂协同作用，光电催化剂显示出极高的电催化活性。同时，在高电压刺激下，分散在绝缘小球表面的发光材料在电场中获取足够的能量导致光量子跃迁，于是电致发光产生波长低于400微米的紫外光，协同小球上光电催化剂及蜂窝阳极表面负载的光电催化剂，两种催化剂产生较高的光催化活性。因此在等离子体激发光电催化剂作用下，绝缘小球表面的光电催化剂与阳极表面的光电催化剂不仅具有极高的电催化活性还具有较高的光催化活性，能在源头上彻底降解积碳前体物质（C2H2、C3H4等），从而能使VOCs彻底矿化为H2O、CO2，且有效避免催化剂积碳产生。
[0014]本专利技术的优点：1、本专利技术将等离子体与光电催化剂结合实现各类VOCs彻底降解为CO2、H2O，减少副产物产生；2、本专利技术通过施加高电压实现等离子体与电致发光在同一体系中同时发生，使光电催化剂与等离子体等活性物种紧密结合，从而极大提高系统催化活性；
3、本专利技术通过彻底降解积碳前体物质（C2H2、C3H4等），从而有效避免催化剂积碳产生；4、本专利技术将阴极阳极通过组件形式连接，使结构易于组装，便于加工，同时方便根据废气浓度、流量进行调整。
附图说明
[0015]图1为等离子体激发光电催化组件结构示意图；图中：1
‑
进气口；2
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布气板；3
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种等离子体激发光电催化降解VOCs的方法，其特征在于：将含VOCs的气体通入等离子体激发光电催化组件，经过等离子体激发光电催化组件彻底催化降解为CO2、H2O后排出，催化降解过程中能防止催化剂积碳失活；其中等离子体激发光电催化组件包括绝缘外壳（5）、筒状阴极（3）、蜂窝状阳极（6）、布气板（2）、绝缘小球（4）、集气室（7），绝缘外壳（5）套装在筒状阴极（3）外侧，蜂窝状阳极（6）设置在绝缘外壳（5）中心处，筒状阴极（3）与蜂窝状阳极（6）之间的腔室内填充有绝缘小球（4），绝缘外壳（5）一端设置有进气口（1），布气板（2）设置在绝缘外壳（5）且位于进气口一侧，绝缘外壳（5）另一端设置有出气口（8），集气室（7）设置在在绝缘外壳（5）且位于出气口一侧，蜂窝状阳极表面负载有光电催化剂，绝缘小球（4）上包覆有光电催化剂和发光材料混合物的涂层，筒状阴极（3）、蜂窝状阳极（6）分别与电源连接。2.根据权利要求1所述的等离子体激发光电催化降解VOCs的方法，其特征在于：筒状阴极（3）、蜂窝状阳极（6）施加脉冲电压或直流电压。3.根据权利要求1所述的等离子体激发光电...

【专利技术属性】
技术研发人员：瞿广飞，季炜，李志顺成，汤慧敏，周俊宏，潘科衡，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：