專利名稱：一種用于工業有機廢氣處理的方法
技術領域：
本發明屬廢氣處理技術領域，涉及工業有機廢氣處理方法，具體涉及一種把介質 阻擋放電等離子體技術和活性炭纖維吸附氧化床有機結合的新型有機廢氣處理工藝 技術。
背景技術：
工業有機廢氣一般含有"三苯"(苯、甲苯、二甲苯)、醛、鹵代烴、多環芳烴、 有機硫化物等揮發性有機污染物。除了化工、油漆生產和機械產品噴涂、出版印刷、 污水泵站及污水處理過程等排放外，還有日常生活中隨處可見的小污染源，如室內裝 潢涂料、汽車尾氣也排放此類污染物。研究表明，有機污染物基本上可分為易生物降 解和難生物降解兩大類，其中對人體健康和環境質量危害最為嚴重的往往是難降解污 染物。這些污染物主要通過呼吸、皮膚接觸和消化道進入人體，導致內分泌功能紊亂， 對人體的免疫功能、呼吸道、心血管和中樞祌經系統等產生影響，而且這類物質往往 具有生物累積性和"三致"(致癌、致畸形、致突變)作用。另外，這類物質在環境 中的壽命較長，并可通過空氣、水和遷徙物種作跨區域或長距離遷移，在環境中得到 累積或轉化為毒性更大的二次污染物，對生態環境和人體健康造成了更大威脅。因此， 難降解有機廢氣的處理和控制問題越來越受到世界各國的重視和關注。
有機廢氣的排放隨生產行業和工業條件的不同，其成分和濃度也各不相同，且 多為難降解物質，這給其治理帶來一定難度。目前，常規的處理方法有吸附法、液 體吸收法、冷凝法、熱解法等，近年來形成的新控制技術中有生物法、催化燃燒法、 納米光催化、低溫等離子體法等。生物法雖然在凈化低濃度有機污染物時效果明顯， 具有能耗低的優點，但存在氣阻大、降解速率慢、設備體積龐大、易受污染物濃度 及溫度的影響，而且該法僅適用于親水性及易生物降解物質的處理，對疏水性和難 生物降解物質的處理還存在一定難度。此外，在含硫醇、硫醚和苯乙烯等惡臭物質 的氣體中，由于這些物質的嗅覺閾值極低(一般10—4~10—5ppm)，經生物法處理處理后， 廢氣中的臭味仍然存在，達不到徹底解決臭味問題。催化燃燒法較適合于高濃度、 小風量廢氣的凈化，在處理低濃度的廢氣時，由于要維持300 40(TC的催化燃燒溫度，需借助于活性炭吸附濃縮工藝來提高廢氣的燃燒熱值，但廢氣中的水氣、油污 及顆粒物易引起活性炭吸附容量下降及催化劑中毒失活等問題，使得該方法的推廣 和使用在一定程度上受到了限制。光技術應用于環境污染物治理的研究是當前的熱 點之一，但大多局限于水體污染物的凈化。在光降解氣體污染物方面，有研究采用 253.7nm波長的光直接用于廢氣治理，由于相當多的氣體污染物(如CHCl3等)不吸收 253.7nm光，而且其光子能量僅為5eV，因此253. 7nm大多用于殺菌和消毒。也有研 究采用03/UV和H202/UV技術用于有機廢氣處理，但由于03制備成本高、HA蒸氣壓 太低而難以推廣使用。光敏半導體催化氧化或納米金屬氧化物光催化也是近年來的 研究熱點，但該技術的降解效率受控于污染物質與催化劑表面界面擴散速率，因此 很難用于大規模工業化應用，目前多局限于實驗研究及小風量應用階段。因此開發 一種經濟有效的有機廢氣治理技術，特別是針對低濃度、大風量有機廢氣的凈化研 究十分必要，也符合當前氣體污染控制的發展趨勢。利用低溫等離子體技術處理有 機廢氣是一種全新的思路和方法，該技術在處理難降解、低濃度有機污染物方面， 具有簡單、成本低廉、效率高等優點，其應用前景廣闊。其處理污染物的原理為 在外加電場的作用下，氣體放電產生大量攜能電子(電子平均能量在1 10eV)，廢 氣中的污染物質在高能電子的轟擊下發生電離、解離或激發，并在02參與反應下發 生一系列復雜的物理、化學反應，最終使廢氣中的污染物分解達到凈化目的。
根據氣體放電的方式，等離子體的產生主要有輝光放電(Glow discharge)、電 暈方文電(Corona discharge)、介質阻擋放電(Dielectric barrier discharge, 簡 稱DBD)、射頻放電(Radio frequency discharge)和微波放電(Micro額e discharge) 等。其中介質阻擋放電具有電子密度高和可在常壓下運行的特點，因而使其具有工 業應用前景，特別適用于惡臭氣體的治理，因而備受關注。
但直接利用介質阻擋放電等離子體技術處理有機氣體時，主要存在如下問題
1. 有些廢氣中含有過量的水氣，其存在對介質阻擋放電過程產生不利影響。
2. 經介質阻擋放電等離子體處理后的尾氣中含有大量臭氧，未能充分利用，造 成二次污染；
3. 放電區較小，氣體反應時間短，污染物質未能充分反應即隨尾氣排出。

發明內容
本發明的目的是針對介質阻擋放電等離子體處理方法的不足，提供一種用于工
5業有機廢氣處理的新的方法。具體涉及一種把介質阻擋放電等離子體技術和活性炭 纖維吸附氧化床有機結合的新型有機廢氣處理工藝技術。
本發明方法采用絲網除水、介質阻擋放電等離子體和活性炭纖維吸附相結合的 方法治理有機廢氣，包括下述步驟
1) 絲網除水
通過絲網除水器去除廢氣中的液滴，確保后續介質阻擋放電等離子體的正常運
行；
2) 介質阻擋放電等離子體
采用雙介質阻擋放電等離子體反應管，使被處理氣體從內外管之間通過，由于 氣體不直接接觸氣體，從而解決了電極腐蝕問題；
3) 活性炭纖維吸附，
通過活性炭纖維吸附氧化床中活性炭纖維的吸附作用，將反應產生的臭氧、HO* 和0等高活性基團，未分解完的有機物及氣體中的氧氣吸附積聚在活性炭纖維微孔 結構內，利用活性炭纖維床的媒介作用，將有機物進一步氧化分解，并通過"反應 物擴散到活性炭纖維表面一吸附一氧化一解吸一生成物進入氣相"這一再生過程， 使活性炭纖維始終處于活性狀態，無需定期更換活性炭纖維。
所述的絲網除水器采用絲徑0.08~0.30mm的316L不銹鋼圓絲，相互編織成目 數為5~10目的絲網，堆積密度150~180kg/m3，比表面積500~600 m2/m3，孔隙率 95%~98%。裝填高度150mm。本絲網除水器結構簡單，重量輕，壓降小，接觸表面 積大，除水效果好，安裝操作維護方便，是常用的除水材料之一。
所述的放電形式為雙介質阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge,簡稱 ,)，
介質阻擋放電是一種獲得高氣壓下低溫等離子體的放電方法，這種放電產生于 兩個電極之間。介質阻擋放電可以在O. 1 10xl(fPa的氣壓下進行，具有輝光放電的 大空間均勻放電和電暈放電的高氣壓運行的特點。整個放電是由許多在空間和時間 上隨機分布的微放電構成，這些微放電的持續時間很短， 一般在10ns量級。介質層 對此類放電有兩個主要作用 一是限制微放電中帶電粒子的運動，使微放電成為一 個個短促的脈沖；二是讓微放電均勻穩定地分布在整個面狀電極之間，防止火花放 電。介質阻擋放電由于電極不直接與放電氣體發生接觸，從而避免了電極的腐蝕問介質阻擋放電等離子體化學反應過程中能量的傳遞大致如下:
(1).電場+電子
高能電子
受激原子
(2).高能電子+分子(或原子)
受激基團
(活性基團)
游離基團
(3).活性基團+分子(或原子)
生成物+熱
(4).活性基團+活性基團
生成物+熱
從以上過程可以看出，電子先從電場獲得能量，通過激發或電離將能量轉移到 分子或原子中去，那些獲得能量的分子或原子被激發，同時有部分分子被電離，從 而成為活性基團。然后這些活性基團與分子或原子、活性基團與活性基團之間相互 碰撞后生成穩定產物和熱。另外，高能電子也能被鹵素和氧氣等電子親和力較強的 物質俘獲，成為負離子。這類負離子具有很好的化學活性，在化學反應中起著重要 的作用。
本發明的介質阻擋放電的反應管(圖1)采用內外兩石英管作為介質，內管外徑 為33mtn，厚度1. 5mm，長350鵬，內填充100目316L不銹鋼粉作為內電極；外管內 徑55咖，厚度1.5mm，長400咖，由長X寬二1100咖X4腿的細長不銹鋼片(厚度 S=0.4mm)纏繞外管壁6圈作為外電極，圈與圈間的距離為5mm。反應管工作時，在 內外電極之間施加600(T9000V脈沖電壓，脈沖頻率10 30kHz。被處理氣體由下往上 自內外管之間的空間通過，氣體流速控制在7 8m/s。
經介質阻擋放電等離子體處理后的廢氣中，含有少量未分解完全的有機物及其碎 片粒子， 一部分氧氣也在高能電子的轟擊下產生高活性基團03、氧原子、H0，等。由 于氣體在反應管中停留時間極短(小于0.1秒)，因此，少量的有機物及其碎片粒子 和03等來不及反應，因此，本發明在上述等離子體反應管后面設計活性炭纖維吸附 氧化床單元，使氣體流經活性炭纖維吸附氧化床層時，通過活性炭纖維良好的吸附 性能，將這些物質吸附在活性炭纖維的微孔結構中，使這些反應物在活性炭纖維微 孔結構內富集，使有機物質與氧氣、臭氧、O原子等活性基團之間的充分接觸，并發 生進一步的氧化反應將有機污染物質分解，分解產物通過自動解吸作用從活性炭纖維微孔結構中脫附，回復活性炭纖維的高效吸附能力，使活性炭纖維循環使用。由 于活性炭纖維床僅起到反應界面(或媒介)和催化氧化的作用，不存在吸附飽和問題， 無需定期更換，可長期使用。在相同處理量條件下，活性碳纖維的吸附層僅為活性 碳的1/5，且體密度小和導熱系數大，可避免因吸附熱而引起蓄熱、過熱現象，操作 安全性大。
本發明所述的活性炭纖維吸附氧化床所用的活性炭纖維為長度30 50mm活性炭 纖維絲，使用前經5%二氧化錳懸濁液中浸泡2小時，晾干后在15(TC時烘烤2小時。 填充床層高0.6米，氣體流速0.8m/s，阻力損失小于1000 Pa，能保證足夠停留時 間，使活性炭纖維對氣體中的有機物質、活性基團充分吸附。本發明利用活性炭纖 維床的媒介和催化氧化作用，通過"反應物擴散到活性炭纖維表面一吸附一氧化一 解吸一生成物進入氣相"這一再生過程，使活性炭纖維始終處于活性狀態，無需定 期更換活性炭纖維。
在上述反應裝置的后面設置風機，形成負壓狀態，能避免反應裝置的泄漏引起的 有機物的污染問題。
本發明方法對工業有機廢氣進行了試處理，以含二甲胺的廢氣為例，處理后， 尾氣排放的二甲胺的濃度小于5 mg/m3，達到國家職業衛生標準(GBZ 2-2002)中對
二甲胺的控制要求。


圖l是本發明介質阻擋放電示意圖。 圖2是本發明工藝技術路線示意圖。
具體實施方式
處理廢氣實驗
以含二甲胺的廢氣為例，氣量4000 m7h、濃度1000 mg/m3，氣體溫度在3(TC 7(TC，水氣過飽和。含二甲胺的有機氣體收集后先經過絲網除水器(沒有水氣的場 合可以省去該單元)除去水氣，然后進入介質阻擋放電等離子體反應器，在此利用 高能電子的轟擊作用，使污染物質發生一系列反應，使其分解和轉化為二氧化碳和 水或無害物質，少量未分解的有機物質、反應過程中產生的03、 0和HO及02在經過 活性炭纖維床時，被活性炭纖維吸附并繼續發生反應。通過活性炭纖維的吸附積聚 和催化氧化作用，使污染物質被進一步氧化分解，最終達到消除有機污染的目的。
8風機放在反應裝置后面，能保證反應裝置處于負壓狀態，避免惡臭氣體泄漏。
通過以上工藝處理后，尾氣排放的二甲胺的濃度小于5mg/m3，達到國家職業衛 生標準(GBZ 2-2002)中對二甲胺的控制要求。整套工藝配套介質阻擋放電反應管 數量64組，總裝機功率17 kW。合計處理每立方米廢氣功耗為4. 25 W。
權利要求
1、一種用于工業有機廢氣處理的方法，其特征是采用絲網除水、介質阻擋放電等離子體和活性炭纖維吸附相結合的方法治理工業有機廢氣，包括下述步驟1)絲網除水通過絲網除水器去除廢氣中的液滴，確保后續介質阻擋放電等離子體正常運行；2)介質阻擋放電等離子體采用雙介質阻擋放電等離子體反應管，使被處理氣體從內外管之間通過，解決電極腐蝕問題；3)活性炭纖維吸附通過活性炭纖維吸附氧化床中活性炭纖維的吸附作用，將反應產生的高活性基團，未分解的有機物及氣體中的氧氣吸附積聚在活性炭纖維微孔結構內，利用活性炭纖維床的媒介作用，將有機物氧化分解，并通過“反應物擴散到活性炭纖維表面-吸附-氧化-解吸-生成物進入氣相”的再生過程，使活性炭纖維始終處于活性狀態。
2、 按權利要求1所述的用于工業有機廢氣處理的方法，其特征是所述步驟1的絲網除水器的絲網采用316L不銹鋼圓絲編織而成，目數5 10目，絲徑0. 08 0. 30隱，堆積密度150 180kg/m3，比表面積500 600 m7m3，孔隙率95% 98%，在除水器中的裝填高度150mm。
3、 按權利要求l所述的用于工業有機廢氣處理的方法，其特征是所述步驟2的介質阻擋放電等離子體反應管的結構形式為內外兩石英管作為介質，空心圓柱形，內電極置于內管內部，外電極置于外管外部；被處理氣體從內外管之間通過。
4、 按權利要求1或3所述的用于工業有機廢氣處理的方法，其特征是所述的介質阻擋放電等離子體反應管的內管外徑為33鵬，厚度L5隱，長350誦；外管內徑55鵬，厚度1.5mm，長400mm。
5、 按權利要求1或3所述的用于工業有機廢氣處理的方法，其特征是所述的介質阻擋放電等離子體反應管采用100目316L不銹鋼粉作為內電極，填充在內管中。
6、 按權利要求1或3所述的用于工業有機廢氣處理的方法，其特征是所述的介質阻擋放電等離子體反應管的外電極采用長X寬^1100鵬X4咖的細長不銹鋼片，纏繞外管壁6圈，圈與圈間的距離為5mm，所述不銹鋼片的厚度S =0. 4mm。
7、 按權利要求1所述的用于工業有機廢氣處理的方法，其特征是所述步驟2的介質阻擋放電等離子體的操作條件為氣體流速7 8m/s，內外電極之間施加6000 9000V脈沖電壓，脈沖頻率10 30kHz。
8、 按權利要求1所述的用于工業有機廢氣處理的方法，其特征是所述步驟3的活性炭纖維為活性炭纖維絲，長度3(T50mm;所述的活性炭纖維使用前經5%二氧化錳懸濁液中浸泡2小時，晾干后在15(TC時烘烤2小時。
9、 按權利要求l所述的用于工業有機廢氣處理的方法，其特征是所述步驟3的活性炭纖維填充床層高0.6米，氣體流速0.8m/s。
全文摘要
本發明屬廢氣處理技術領域，涉及一種工業有機廢氣處理方法，本方法采用絲網除水、介質阻擋放電等離子體和活性碳纖維吸附相結合的方法治理工業有機廢氣，通過絲網除水器去除廢氣中的液滴，確保后續介質阻擋放電等離子體正常運行；采用雙介質阻擋放電等離子體反應管，使被處理氣體從內外管之間通過，解決電極腐蝕問題；通過活性碳纖維的吸附作用及媒介作用，將反應產生的高活性基團，未分解的有機物及氣體中的氧氣吸附積聚在活性碳纖維微孔結構內，使活性碳纖維始終處于活性狀態。本發明處理系統結構緊湊，能效高，處理效果好，其應用前景廣闊。
文檔編號B01D53/00GK101664626SQ20081004236
公開日2010年3月10日 申請日期2008年9月1日 優先權日2008年9月1日
發明者侯惠奇, 張仁熙, 靳朝陽 申請人:復旦大學