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光氧催化设备降解工业vocs的模型研究

日期:2019-04-18  人气:

工业vocs处理技术主要包括热破坏法、活性炭吸附、光氧化、等离子体、生物降解等。由于不同企业排放的vocs成分、浓度、温度等存在较大差异且波动范围较大,导致现有技术处理效果不佳,难以达到国家排放标准的**要求。光催化技术因具有占地面积小、应用范围广、运行成本低、投资少、不产生二次污染等优势而成为具有应用潜能的vocs处理技术。
Fujishima研究了TiO2膜的光催化行为、光致双亲性O2-的产生、失活及TiO2的表面吸附作用等。Bl**e[15]列出了300多种可光催化降解处理的有机化合物,现已证明多种vocs均能通过光催化进行降解。
光催化技术以纳米二氧化钛光触媒为原料,以紫外光为能源,激发价带上的电子(e-)跃迁到导带,在价带上产生相应的空穴(h+),生成具有极强氧化作用的活性氧和羟基自由基,将vocs氧化分解成CO2和H2O,达到分解vocs的目的。
目前对光解、光催化降解模型的研究较少,本文从对流场模拟的空气动力学结果出发,建立了光解、光催化的降解模型,并研究了**的光降解效率。
1.实验部分

1.1主要实验原料与材料
**(分析纯);
UV紫外灯(波长分别为185nm和254nm),由佑威光电提供;光催化材料(**光触媒泡沫镍),由华钛自主研发。
1.2光解、光催化模型与实验装置
光解、光催化降解模型主要由气体发生器、混流装置、光解模块、缓冲箱、光催化模块等部分组成,具体工艺流程和降解设备模型如图1-1、1-2所示。
1.3检测与分析方法
采用美国华瑞MiniRAELite-PGM-7300vocs检测仪,检测范围达到0.1-5000ppm。
对模块的入口与出口进行气体浓度进行检测,计算其降解效率,计算公式如下:
(1)
x为气体降解效率,Cout气体出口浓度(ppm),Cin为气体入口浓度(ppm)。
2.实验结果与讨论

2.1降解模型空气动力学模拟
对直通式测试舱流场进行了空气动力学模拟。采用ANSYSFLUENTv16.0软件进行计算,对流项采用二阶迎风格式,扩散项为中心差分,采用k-ωSST湍流模型进行求解。根据低速不可压流动特性分别设置速度进口、压力出口、多孔区域等边界条件。通过计算,得到流场部分结果如图2-1、2-2所示:
图2-1、2-2为加入光触媒材料光催化模块在入口流量5000m3/h、150°C时的动力学模拟结果,通过速度、涡流等流场特性,证明在**排光触媒网前形成了较为均匀的速度场和密度场,气流穿过**排光触媒网后均匀向后流动,为此实验舱的可行性进行了验证。
2.2光解强度对降解率的影响
采用波长为185nm(150W)的UV灯进行光解实验。在风量1000m3/h、**浓度120ppm条件下,考察不同光解组数(光强)条件下**的降解率,结果如图2-3所示:
图2-3表明:光解组数为一排时,**的光降解效率**可达28%,在整个反应过程中平均约为15%或者更低;随着光解组数的增加,**的降解效率随之升高,当光解组数为三排时,平均降解效率可达35%,**效率可达45.65%,且整个反应过程中降解效率较稳定;光解组数为五排时,光降解率有所降低,平均约为32%;当再增加光解组数时,**的光降解效率下降,**仅为25%,且不稳定。测试结果表明:随着波长185nm紫外光强度的增加,可以增加**分子链断裂使之形成****和水的有效能量,但是光解组数增加太多**的光解效率反而下降,可能是与灯管布置太密集,反应模块内逐渐升高的温度与降低的湿度有关,因此在灯管的排布上有**的优化空间。
2.3光催化对降解效率的影响
2.3.1湿度的影响
以**光触媒泡沫镍网(三层网,1.08m2)为介质,波长254nm的紫外灯为光源,**为反应底物,考察了风量1000m3/h、**浓度120ppm条件下,不同湿度对**降解效率的影响,结果如图2-4所示:
图2-4表明:当湿度从20%增加至80%,**的光催化效率逐渐增加并稳定在**水平。当湿度为20%时,**的光催化效率低于10%;当湿度增至40%时,光催化效率**可达到27%,降解率在20%上下浮动;而将湿度增加至60%和80%时,**的光催化效率**,可达41%,并且随着反应时间的推移均保持在较高的降解率。由此可见,光催化反应需要在**的湿度条件下进行,TiO2固体表面的空穴将空气中的水分子氧化成羟基自由基(·OH),可将**降解为****和水;湿度较低时,产生的羟基自由基不足以将****氧化;湿度增大时,产生的羟基自由基越多,氧化能力越强,就越有利于**的降解[16-17]。从**的降解效率来看,光催化反应模块内湿度维持在60-80%为**。
2.3.2光触媒组数的影响
以**光触媒泡沫镍的组数为单位,湿度为60%,考察不同组数光触媒网对**的降解效率的影响,结果如图2-5所示:
图2-5显示:随光触媒网组数的增加,**的光降解效率先上升,然后再下降。当只有一组光触媒网时,**的光降解效率**,原因在于:当光触媒网量少时,产生的羟基自由基不足以使****分解,会产生**的中间产物,而不是**转变为水和****;随着光触媒网的增加,**的光降解率升高,三排时随着反应时间的增加其光催化效率逐渐升高,20min后升至30%以上,**为41%;五排时**的光催化效率**为54%,稳定后基本维持在40%以上;而光触媒增加至七排时,其降解率明显下降,降至20%以下。由此可知:随着光触媒网的增加,光催化反应器内温度升高,引起反应器内湿度的降低,从而使得光降解率降低,所以在设计光催化器内部结构时,光触媒网以五排为**。
2.4光解光催化联用
采用三排波长为185nm的紫外灯光解,同时采用五排波长为254nm紫外灯进行光催化,在风量1000m3/h、**浓度120ppm、光催化湿度60%条件下,考察光解-光催化联用对**降解率的影响,结果如图2-6所示:
图2-6显示了光解-光催化联用情况下**的降解率。在反应开始40min,**的降解率逐渐升高,可达80%;随着反应进行,**的降解率趋于稳定,**可达85%。由此可见:当光解和光催化联用时,**的降解效率比单独使用光解或光催化均有**程度的提高,是光解-光催化协同作用的结果,进一步证明光解-光催化联用降解vocs是行之有效的。
3.结论

以**为反应底物,采用光解或/和光催化方法,考察不同光解光强、光催化用量、湿度等因素对**降解率的影响。得出结论如下:在处理风量1000m3/h、**浓度120ppm、仅使用光解条件下,采用三排灯、光强为5.1KW时**的降解率**,可达45.65%;仅使用光催化时,在反应器内空气相对湿度为60%、光触媒为五层时,**的光降解率可达54%;当光解-光催化联用时,**的处理效率可达85%。
直通式测试舱的理论模拟结果和**的降解实验均表明采用光解-光催化联用是vocs工业处理最是最简单有效的方式,其特点是运行费用低、可将污染物**降解为****和水、无二次污染等;此研究结果对处理大风量、vocs成分复杂、浓度较大的工矿也有重要的指导意义。


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