一种吸附型光电催化降解处理装置

1.本发明涉及废气处理的技术领域，特别是涉及一种吸附型光电催化降解处理装置。


背景技术：

2.挥发性有机物(vocs)是常见大气污染物pm2.5和臭氧(o3)的重要前体物，排放量较大且成分复杂，治理难度颇大。为了从根本上解决pm2.5与o3的污染问题，关键以其关键前体物vocs的治理开始，涉及到的vocs废气治理主要以工业废气为主。现有vocs的治理技术主要分为几大类：物理吸附法、燃烧法、吸收法和化学洗涤法，上述方法在生产中均有应用，但由于投资和运行成本高或效率不高都有改良的空间。因vocs成分的复杂性，具有良好降解效果且对vocs无选择性反应的光催化技术成为空气净化领域研究的新热点，但其光催化反应装置内部设计与研发仍需突破。
3.tio2光催化剂仍然没有达到产业化的实际需求，这是因为其光生电子空穴对的复合率高，所以光催化活性较低，其光能利用率也比较低。由于这些缺点，导致其无法大规模使用。为提高光催化反应系统的降解效率，光催化与其他处理技术的联合应用被广泛采用，光催化技术与吸附技术联合应用能够显著提高处理效率，对于吸附-光催化技术降解vocs的过程，不存在再生活化工艺，再生过程伴随着吸附过程进行。其中，再生过程是光催化过程中催化剂对acf表面吸附的vocs矿化与脱附的过程。
4.目前市场上常见的大多数光催化反应装置是通过改变流道形状、面积或者容积大小，来增加废气在装置内的流通时间和废气与光催化剂的混合时间，进而增加废气的净化率，但仍然存在着废气在流动时与光催化剂接触不充分的缺点，使得一定时间内废气的净化效率较低。因此，亟需一款提高废气净化效率的装置。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种吸附型光电催化降解处理装置，以解决上述现有技术存在的问题，使废气与光催化剂的充分接触，提高净化效率。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.本发明提供了一种吸附型光电催化降解处理装置，包括反应箱，所述反应箱的一端设置有进气口、另一端设置有出气口，所述反应箱内至少设置有一个气流分布器，所述气流分布器的端面上设置有至少一个活性炭纤维的卷筒，所述卷筒的一端为进气敞口、另一端封闭，所述气流分布器和所述卷筒的内部均设置有光源，光催化剂附着于所述卷筒上，所述卷筒上设置有电极且能够施加固定偏压。
8.优选的，所述卷筒包括未经硝酸改性层和硝酸改性层，所述未经硝酸改性层和所述硝酸改性层通过缝制连接，所述硝酸改性层上的所述活性炭纤维经过硝酸改性。
9.优选的，所述未经硝酸改性层和所述硝酸改性层通过两个金属电极缝制连接，两个所述金属电极分别连接电场的正极和负极，所述金属电极呈梳齿型且沿所述卷筒的周向
等间距交错排布。
10.优选的，所述金属电极的导电材料包括铝、银、铜、铂和钨。
11.优选的，所述光催化剂为tio2催化剂；tio2催化剂的改性方案包括添加fe、mn、zn、cu、co
2+
、c、石墨烯、钒氮、fe、n、s、al
3+
和sio2。
12.优选的，所述进气口上设置有过滤网，所述反应箱上设置有连接电源的电缆。
13.优选的，所述气流分布器包括隔板、所述光源和所述卷筒，所述隔板密封连接于所述反应箱的内腔中，所述隔板与相邻的隔板或者所述反应箱之间形成一个气流腔，所述卷筒位于所述气流腔内，所述隔板上均布有若干个通孔，所述卷筒的进口端连接于所述通孔上，所述光源均布于所述卷筒的内部和外部；所述卷筒的底板为不透气材质。
14.优选的，所述光源为线性光源，所述卷筒的长度小于所述气流腔的长度，所述线性光源的一端通过支架固定于所述通孔的中心上，或者所述线性光源的一端固定于所述隔板上，所述线性光源均布于所述卷筒的四周。
15.优选的，所述卷筒内的线性光源上设置有若干个均匀排布的导流板，所述导流板与所述线性光源的轴线呈45
°‑
90
°
夹角，所述导流板的材质为透明材质。
16.优选的，所述气流腔的内壁上设置有反光层，所述反光层包括银金属镀层、铝金属镀层和丙烯酸树脂反光漆。
17.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
18.本发明通过设置活性炭纤维的卷筒，能够增加废气在反应装置内的停留时间，活性炭纤维的吸附作用使得废气与光催化剂接触更充分；活性炭纤维卷筒表面耦合电场，可强烈抑制光生电子空穴对复合，提高催化剂表面活性自由基团浓度，增加催化效率。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
20.图1为本发明实施例中吸附型光电催化降解处理装置的一种立体结构示意图；
21.图2为本发明实施例中吸附型光电催化降解处理装置的另一种俯视结构示意图；
22.图3为本发明实施例中单级气流分布器的结构示意图；
23.图4为本发明实施例中卷筒展开后的组成结构示意图；
24.图5为本发明实施例中导流板的结构布局示意图；
25.图6为本发明实施例中卷筒与线性光源的位置分布(a)～(l)示意图；
26.其中：1-反应箱，2-进气口，3-过滤网，4-出气口，5-卷筒，6-隔板，7-线性光源，8-金属电极，9-底板，10-反光层，11-气流腔，12-电缆，13-导流板，100-吸附型光电催化降解处理装置。
具体实施方式
27.下面将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付出创造性劳动的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。
28.本发明的目的是提供一种吸附型光电催化降解处理装置，以解决现有技术存在的问题，使废气与光催化剂的充分接触，提高净化效率。
29.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。
30.实施例一
31.如图1至图6所示：本实施例提供了一种吸附型光电催化降解处理装置100，包括反应箱1，反应箱1的一端设置有进气口2、另一端设置有出气口4，反应箱1内至少设置有一个气流分布器，气流分布器的端面上设置有至少一个活性炭纤维的卷筒5，卷筒5的一端为进气敞口、另一端封闭，气流分布器和卷筒5的内部均设置有光源，光催化剂附着于卷筒5上，卷筒5上设置有电极且能够施加固定偏压。
32.作为优选的实施方案，本实施例中卷筒5的材质为tio2/acf复合材料，包括未经硝酸改性层和硝酸改性层，未经硝酸改性层和硝酸改性层通过缝制连接，硝酸改性层上的活性炭纤维经过硝酸改性。本实施例中卷筒5壁面为双层活性炭纤维材料，其中一层为未改性的活性炭纤维(内层或者外层)，另一层为硝酸浸泡改性的活性炭纤维(外层或者内层)，通过改性将活性炭纤维表面非极性官能团氧化为极性官能团，增加对极性分子的吸附性能，而未改性的活性炭纤维对非极性分子具有较高的吸附性；将极性吸附材料与非极性吸附材料叠加耦合，使得卷筒5壁面对极性分子和非极性分子都具有较强的吸附性能，vocs停留时间增加，提高催化降解效果和均匀性。未经硝酸改性层和硝酸改性层通过两个金属电极8缝制连接，两个金属电极8分别连接电场的正极和负极，金属电极8呈梳齿型且沿卷筒5的周向等间距交错排布。本实施例中光催化剂为tio2催化剂。本实施例中双层卷筒5壁面采用铝金属丝作为acf表面导电材料，将铝金属丝折成齿状电极，在电极两端利用恒电位仪施加固定偏压，强烈抑制光生电子空穴对的复合，同时起到活性炭纤维材料支撑与导电的作用。其中，金属电极8的导电材料还包括铝、银、铜、铂和钨，通过局部放大图可观察到，金属丝穿插在活性炭纤维表面，还起到活性炭纤维材料的支撑与导电作用。本实施例中是将铝金属丝做成插齿形状并与未经硝酸改性层和硝酸改性层进行叠加耦合，将插齿电极两端连接至电源，齿数量和齿间距固定，通过调整电源电压来改变施加在每个活性炭纤维层表面的均匀电场强度大小。本实施例中采用铝金属丝作为acf表面导电材料，金属电极8的作用主要是提供均匀电场，在施加电压后，活性炭纤维表面会产生一定强度的均匀电场，也就是说只需要保证该点位的电场强度大小稍微超过现有的抑制光生电子与空穴的之间复合所需要的场强即可，但又不能超出太多。电极折出的梳齿数量和间距的设置需要综合考虑均匀电场强度的大小，现有研究表明，施加场强范围需在0.3v/cm(与催化剂进行表面接触)至75v/cm(未与催化剂表面接触，类似于将催化剂放于电容器之间)，本实施例为金属丝与催化剂表面进行接触，其实际施加最佳值需根据实验来确定，而电场强度是金属丝的数量、间距以及施加的电压值大小共同作用下的结果。
33.作为优选的实施方案，本实施例中进气口2上设置有过滤网3，可初步过滤一些大分子颗粒和烟尘，反应箱1上设置有连接电源的电缆12，用于连接光源和电极，可将所有线缆集中在一个线槽中，保持外观整洁。
34.作为优选的实施方案，本实施例中气流分布器包括隔板6、光源和卷筒5，隔板6密封连接于反应箱1的内腔中，隔板6与相邻的隔板6或者反应箱1之间形成一个气流腔11，卷筒5位于气流腔11内，隔板6上均布有若干个通孔，卷筒5的进口端连接于通孔上，光源均布于卷筒5的内部和外部；卷筒5的底板9为不透气材质，可固定线性光源7的另一端。本实施例的反应装置也可由多个单级气流分布器拼接而成，气流分布器的个数可根据废气降解的效果设置有不同的数量，卷筒5的数量也可根据空间大小和废气降解的效果设定。本实施例中单级气流分布器设置有四个卷筒5。
35.作为优选的实施方案，本实施例中光源为线性光源7，卷筒5的长度小于气流腔11的长度，线性光源7的一端通过支架固定于通孔的中心上，或者线性光源7的一端固定于隔板6上，线性光源7均布于卷筒5的四周。本实施例中卷筒5为圆柱状，内部线性光源7也为圆柱状，该方式下fe
3+-tio2/acf复合材料卷筒5内壁面可以更好的接受光照，保证内壁面光生载流子浓度的均匀性。
36.本实施例的装置相当于通过若干个隔板6，将反应箱1分隔成若干个气流分布器，实现气流降解的分级处理，每个卷筒5一端部为进气口2，卷筒5的个数和大小决定了总进气口的大小，同时卷筒5的排布也一定程度上决定了气流组织的均匀性。研究表明装置的大小和降解效果不成正比，故采用多个卷筒5来保证降解效率，本实施例中为了保证光照均匀性，依据装置大小，进行了软件模拟，采用了灯管数量相对较少且确保光照均匀的卷筒5分布。
37.作为优选的实施方案，本实施例中卷筒5内的线性光源7上设置有若干个均匀排布的导流板13，导流板13与线性光源7的轴线呈45
°‑
90
°
夹角，导流板13的材质为透明材质，本实施例中优选玻璃，对光线的削减性极小，导流板13的形状包括矩形、矩形螺旋扭曲、扇叶状、扇叶状螺旋扭曲。导流板13作为气流扰动结构，可以促进气流在卷筒5壁面均匀的扩散，扩散的均匀性可保证壁面每个位置经过气体量大小的均匀性。该方式下尽可能的保证通过壁面每个位置的气体量大小相同，降低因气体量过大或过小而引起的催化降解效率降低的概率。
38.作为优选的实施方案，本实施例中气流腔11的内壁上设置有反光层10(镜面反射材料)，反光层10包括银金属镀层、铝金属镀层和丙烯酸树脂反光漆，可以将气流腔11内的线性光源7最大化的反射至卷筒5的外壁面，提高光源的利用率。
39.本实施例中废气的具体流动方式为：在吸附-光电催化反应器的两端分别设有vocs废气的进气口2和出气口4，废气首先经过过滤网3过滤后进入反应器前端空腔内，再从隔板6的通孔进入至一级气流分布器的卷筒5中，废气经过卷筒5内部导流板13的扰流的作用后扩散至卷筒5外的气流腔11。废气在壁面扩散时，主要经过了两层fe
3+-tio2/acf复合材料，其中，vocs废气穿过未经硝酸改性的活性炭纤维层，可实现对非极性vocs分子的高吸附性能；穿过经过硝酸改性的活性炭纤维层，可实现对极性vocs分子的高吸附性能。随后，气流腔11的废气又经过隔板6上的卷筒5进入至二级分布器的气流腔11内，废气可重复上述扩散降解流程，最终达到废气的出气口4，完成催化降解过程。其中，废气需满足废气排放标准才能排放，例如石油化工行业的出口非甲烷总烃的浓度需满足行业标准要求，具体检测方法可以通过目前现有的检测设备进行检测，例如pid光离子检测仪、fid等等。
40.本实施例的吸附-光电催化降解处理装置由多级气流分布器组成，每一级气流分
布器可使废气均匀的通过每一个由活性炭纤维围成的空心圆筒，废气在卷筒5壁面扩散至分布器空腔，空腔内的废气便可进入下一级分布器进行再次催化处理；每一个空心筒内设置一个线性光源7，保证卷筒5内部光照的均匀性，分布器空腔中均布的光源，保证卷筒5外壁面光照的均匀性。本实施例利用活性炭纤维的吸附作用使得废气与光催化剂接触更充分，通过结合电化学的方法，强烈抑制光生电子与空穴的复合，增加催化剂表面的活性自由基数量，提高废气的吸附-光催化降解效率。
41.实施例二
42.本实施例与实施例一区别在于，卷筒5内部导流板13的形状及突起程度的不同，此处仅为其中一些导流板13排布形式：
43.表1导流板的排布形式
44.卷筒内部导流板的形状卷筒内部导流板的安装角矩形与灯管呈90
°
矩形与灯管呈60
°
矩形与灯管呈45
°
矩形螺旋扭曲与灯管呈90
°
矩形螺旋扭曲与灯管呈60
°
矩形螺旋扭曲与灯管呈45
°
扇叶状与灯管呈90
°
扇叶状与灯管呈60
°
扇叶状与灯管呈45
°
扇叶状螺旋扭曲与灯管呈90
°
扇叶状螺旋扭曲与灯管呈60
°
扇叶状螺旋扭曲与灯管呈45
°
45.本实施例并非是对导流板13凸起的形状、何种包围灯管方式做出限定，导流板13的形状和凸起程度还可有多种不规则、多种不同形状的方式结合等形式，可保证壁面每个位置经过气体量大小的均匀性，该方式下尽可能的保证通过壁面每个位置的气体量大小相同，降低因气体量过大或过小而引起的催化降解效率降低的概率。
46.实施例三
47.本实施例与实施例一的区别在于，tio2光催化剂改性方案的不同：tio2催化剂的改性方案包括添加fe、mn、zn、cu、co2+、c、石墨烯、钒氮、fe、n、s、al3+和sio2等物质或者元素，可在二氧化钛形成的过程中，加进去某类元素参与二氧化钛结晶的形成过程。
48.表2催化剂改性方案
[0049][0050]
本实施例以金属fe利用水热合成法改性为例，涉及到的具体方法为：以钛酸四丁酯为前驱体，将硝酸铁，钛酸四丁酯，乙醇，去离子水。利用钛酸四丁酯在活性炭纤维的内部纤维棒上直接水解得到二氧化钛，而硝酸铁作为反应原料与活性炭纤维全部放入水热合成釜，三价fe离子直接进入到二氧化钛内部结晶体中参与结晶的合成，后将水热合成釜放入烘箱内，以80～120℃为变量恒温反应24h，然后将fe
3+-tio2/acf复合材料经过超声波清洗清除表面杂质。
[0051]
实施例四
[0052]
本实施例与实施例一的区别在于：反应器内部卷筒5数量、线性光源7的位置及功率的不同，如图6所示，卷筒5与线性光源7的分布位置有x形-围绕形、中心-口字形、对角线-x形、两侧-x形、品字形-x形、品字形-y形、梅花形-x形、口字形-x形、口字形-九宫格形、十字形-口字形、梯形-倒梯形和梯形-九宫格形，具体如下：
[0053]
表3卷筒与线性光源的位置分布
[0054]
卷筒数量卷筒位置线性光源数量线性光源位置1中心4口字形2对角线5x形2两侧5x形3品字形5x形3品字形4y形4梅花形5x形4口字形5x形4口字形9九宫格形5十字形4口字形5梯形6倒梯形5梯形9九宫格形
[0055]
本实施例中合理的光源排布下，保证了卷筒5外壁面光照的均匀性。
[0056]
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内
容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种吸附型光电催化降解处理装置，其特征在于：包括反应箱，所述反应箱的一端设置有进气口、另一端设置有出气口，所述反应箱内至少设置有一个气流分布器，所述气流分布器的端面上设置有至少一个活性炭纤维的卷筒，所述卷筒的一端为进气敞口、另一端封闭，所述气流分布器和所述卷筒的内部均设置有光源，光催化剂附着于所述卷筒上，所述卷筒上设置有电极且能够施加固定偏压。2.根据权利要求1所述的吸附型光电催化降解处理装置，其特征在于：所述卷筒包括未经硝酸改性层和硝酸改性层，所述未经硝酸改性层和所述硝酸改性层通过缝制连接，所述硝酸改性层上的所述活性炭纤维经过硝酸改性。3.根据权利要求2所述的吸附型光电催化降解处理装置，其特征在于：所述未经硝酸改性层和所述硝酸改性层通过两个金属电极缝制连接，两个所述金属电极分别连接电场的正极和负极，所述金属电极呈梳齿型且沿所述卷筒的周向等间距交错排布。4.根据权利要求3所述的吸附型光电催化降解处理装置，其特征在于：所述金属电极的导电材料包括铝、银、铜、铂和钨。5.根据权利要求2所述的吸附型光电催化降解处理装置，其特征在于：所述光催化剂为tio2催化剂；tio2催化剂的改性方案包括添加fe、mn、zn、cu、co
2+
、c、石墨烯、钒氮、fe、n、s、al
3+
和sio2。6.根据权利要求1所述的吸附型光电催化降解处理装置，其特征在于：所述进气口上设置有过滤网，所述反应箱上设置有连接电源的电缆。7.根据权利要求1所述的吸附型光电催化降解处理装置，其特征在于：所述气流分布器包括隔板、所述光源和所述卷筒，所述隔板密封连接于所述反应箱的内腔中，所述隔板与相邻的隔板或者所述反应箱之间形成一个气流腔，所述卷筒位于所述气流腔内，所述隔板上均布有若干个通孔，所述卷筒的进口端连接于所述通孔上，所述光源均布于所述卷筒的内部和外部；所述卷筒的底板为不透气材质。8.根据权利要求7所述的吸附型光电催化降解处理装置，其特征在于：所述光源为线性光源，所述卷筒的长度小于所述气流腔的长度，所述线性光源的一端通过支架固定于所述通孔的中心上，或者所述线性光源的一端固定于所述隔板上，所述线性光源均布于所述卷筒的四周。9.根据权利要求8所述的吸附型光电催化降解处理装置，其特征在于：所述卷筒内的线性光源上设置有若干个均匀排布的导流板，所述导流板与所述线性光源的轴线呈45
°‑
90
°
夹角，所述导流板的材质为透明材质。10.根据权利要求7所述的吸附型光电催化降解处理装置，其特征在于：所述气流腔的内壁上设置有反光层，所述反光层包括银金属镀层、铝金属镀层和丙烯酸树脂反光漆。

技术总结
本发明公开了一种吸附型光电催化降解处理装置，涉及废气处理的技术领域，包括反应箱，反应箱的一端设置有进气口、另一端设置有出气口，反应箱内至少设置有一个气流分布器，气流分布器的端面上设置有至少一个活性炭纤维的卷筒，卷筒的一端为进气敞口、另一端封闭，气流分布器和卷筒的内部均设置有光源，光催化剂附着于卷筒上，卷筒上设置有电极且能够施加固定偏压。本发明通过设置活性炭纤维的卷筒，能够增加废气在反应装置内的停留时间，活性炭纤维的吸附作用使得废气与光催化剂接触更充分；活性炭纤维卷筒表面耦合电场，可强烈抑制光生电子空穴对复合，提高催化剂表面活性自由基团浓度，增加催化效率。增加催化效率。增加催化效率。


技术研发人员：张兴惠 徐伟 张聪 华靖 段鹏飞 万家豪 宋林烨 贾冠冠 胡皓 王谦 李凯军 姚舜华 张慧敏 靳嘉庆 方宇豪 王琪 李一帆 王浩伟
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/8/31