專利名稱：空氣自凈法治理潛艇廢氣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種治理廢氣的方法，特別是涉及一種治理潛艇廢氣的方法。
背景技術(shù)：
潛艇特別是核潛艇由于長期潛水封閉作業(yè)，機(jī)體運(yùn)轉(zhuǎn)、人員呼吸及人體自然散發(fā)等原因產(chǎn)生大量的有害氣體，如氫氣、一氧化碳、二氧化硫、氯氣、鹵化氫、氮氧化物、氨氣、甲醛、甲酸、丙烯醛、乳酸等多類毒害氣體，如不及時處理，將嚴(yán)重影響工作人員的身體健康。目前，核潛艇在治理廢氣方面主要采用二氧化錳、鈀粉即氧化鈀和活性炭濾氣，氟里昂凈化，等離子體、乙醇胺吸收劑及催化氧化除氣。有的方法是處理專一有害氣體的，作用單一；有的需要特殊吸收劑，成本高；而且這些方法都存在著趨勢較大的吸附平衡和化學(xué)平衡的問題，無法達(dá)到毒害氣體零排放的高標(biāo)準(zhǔn)。有的除氣方法采用的裝置則造價高，一次性投資大，能耗高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，提供一種采用液相催化法，利用空氣自身來有效地消除多種有害氣體的空氣自凈法治理潛艇廢氣的方法。
本發(fā)明是通過如下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的的該空氣自凈法治理潛艇廢氣的方法，包括如下順序的步驟(1)將潛艇艙內(nèi)的廢氣送入裝有填料的治理廢氣的裝置中，裝置中添加水和氧化態(tài)金屬鹽類催化劑；(2)在常溫下，廢氣中的氫氣、一氧化碳、二氧化硫、鹵化氫、氮氧化物與空氣中的氧和裝置中的水在催化劑的作用下，生成無毒的二氧化碳、水或能溶于水的無機(jī)酸類物質(zhì)；廢氣中的氯氣也分別與氫氣和一氧化碳相互反應(yīng)生成二氧化碳和鹽酸；廢氣中的氨氣則被裝置中的酸性介質(zhì)吸收，生成對催化劑無毒而易溶于水的銨鹽，進(jìn)一步緩慢氧化得氮?dú)猓?3)在裝置中的加熱器加熱和催化劑的作用下，廢氣中的甲醛，甲酸，丙烯醛與空氣中的氧反應(yīng)，生成無毒的二氧化碳和水；(4)在裝置中加入變價元素的氧化態(tài)助劑，裝置中反應(yīng)后轉(zhuǎn)化得到的還原態(tài)金屬鹽催化劑則被氧化態(tài)助劑復(fù)原成活性的氧化態(tài)金屬鹽催化劑；而此后的還原態(tài)助劑則被空氣中的氧氣和混有的氯氣氧化而復(fù)原成氧化態(tài)助劑；(5)經(jīng)過治理裝置凈化后的空氣經(jīng)裝置中的凈化氣出口通道排放到艙體中，如果空氣在凈化過程中因須加熱而升溫后需要冷卻，可通過凈化氣出口通道中的冷凝回流裝置冷卻后再排入艙體中，汽化的溶劑水經(jīng)冷凝回流裝置冷凝成液態(tài)水回流入裝置里；當(dāng)裝置里的水積得太多時，啟用分水器進(jìn)行分水；當(dāng)氣體不須凈化時，啟用旁通管直接將空氣回放到艙體中。
本發(fā)明的治理潛艇廢氣的方法通過在裝置中加入水和催化劑以及利用裝置的加熱器加熱，采用液相催化空氣自凈法使空氣中的氣體相互作用生成無毒的二氧化碳、水和能溶于水的無機(jī)酸等物質(zhì)來達(dá)到消除毒害氣體的目的。這種治理潛艇廢氣的方法能有效去除多種有害氣體，基本上無二次污染；催化劑一次投入，長期使用活性如初，因此能耗低，維持費(fèi)用低。并且采用該方法的專用裝置結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、造價低、操作方便，操作技術(shù)易掌握。


圖1是本發(fā)明治理潛艇廢氣的專用裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖描述本發(fā)明所采用的專用裝置。
參見圖1，本裝置包括一個內(nèi)裝有填充材料的主體1，在主體1的底部一側(cè)連接有廢氣進(jìn)氣通道14，另一側(cè)連接有催化劑出口通道12。在廢氣進(jìn)氣通道14上設(shè)有氣體傳動裝置8，艙中的廢氣由氣體傳動裝置8送入主體1內(nèi)進(jìn)行凈化。在催化劑出口通道12上設(shè)有閥門13，當(dāng)需要減少或排出催化劑時，即打開閥門13。在主體1內(nèi)的底部設(shè)有加熱器2，當(dāng)需要加熱時，可使用此加熱器。在主體1的頂部設(shè)有添料裝置9，催化劑由此添料裝置口添入，在添料裝置9與主體1的連接通道上設(shè)有閥門11，需要添入催化劑等時，打開此閥門；在添料裝置9的頂部和底部之間設(shè)置有氣壓平衡管10，當(dāng)主體1內(nèi)的氣壓大于大氣壓導(dǎo)致添料下落困難時，可起到平衡氣壓的作用。由圖1中可見，主體1的頂部還設(shè)有一個液面觀察窗3。
從圖1中還可見，在主體1的頂部連通有凈化氣出口通道17。在凈化氣出口通道17上連接有與水平線傾斜角度為大于零度小于或等于九十度的冷凝回流裝置4；冷凝回流裝置4的內(nèi)部通道與凈化氣出口通道17相通，冷凝回流裝置4的內(nèi)部通道外罩有外殼，外殼的下部連接有冷卻水出水管15、上部連接有冷卻水進(jìn)水管16，當(dāng)在主體1中加熱凈化后的空氣流經(jīng)冷凝回流裝置時，被冷卻水冷卻后再排放到艙中，因?yàn)槔鋮s水是從外殼的上部進(jìn)入外殼的下部，因此水、氣逆流進(jìn)行，有利熱交換。冷凝回流裝置4的內(nèi)部通道的下端底部連接有分水器5，分水器5的頂部和底部分別設(shè)有閥門6和閥門7、旁邊設(shè)有液面指示儀23。從液面觀察窗3觀察到如果主體1內(nèi)因氫氣轉(zhuǎn)化的水積得太多，就把閥門6打開，關(guān)閉閥門7，這時用來收集回流裝置的冷凝水；通過分水器5上的液面指示儀23觀察到冷凝水收集到一定量時，關(guān)閉閥門6，打開閥門7，把冷凝水排出。
從圖1中還可看到，在廢氣進(jìn)氣通道14的進(jìn)口處設(shè)有旁通管18，旁通管18的出口與凈化氣出口通道17相連，旁通管18的進(jìn)、出口處分別設(shè)有閥門22和閥門20；廢氣進(jìn)氣通道14進(jìn)入主體1的分支通道上設(shè)有閥門21，而凈化氣出口通道17與冷凝回流裝置4相通的分支通道上也設(shè)有閥門19。當(dāng)檢測到空氣很干凈時，可關(guān)閉閥門21和閥門19，打開閥門22和閥門20，這時空氣不經(jīng)過廢氣處理裝置處理而直接排放到艙內(nèi)；如果空氣需要凈化處理，則打開閥門21和閥門19，關(guān)閉閥門22和閥門20，空氣進(jìn)入廢氣處理裝置進(jìn)行凈化處理后再排放到艙內(nèi)。
本發(fā)明采用上述專用裝置來治理潛艇廢氣的方法則包括如下順序的步驟(1)將潛艇艙內(nèi)的廢氣送入裝有填料的治理廢氣的裝置的主體1內(nèi)，從裝置主體1頂部的添料裝置9中添加水和氧化態(tài)金屬鹽類催化劑到主體1中；(2)在常溫下，廢氣中的氫氣、一氧化碳、二氧化硫、鹵化氫、氮氧化物與空氣中的氧和裝置中的水在催化劑的作用下，生成無毒的二氧化碳、水或能溶于水的無機(jī)酸類物質(zhì)；廢氣中的氯氣也分別與氫氣和一氧化碳相互反應(yīng)生成二氧化碳和鹽酸；廢氣中的氨氣則被裝置中的酸性介質(zhì)吸收，生成對催化劑無毒而易溶于水的銨鹽，進(jìn)一步緩慢氧化得氮?dú)猓?3)在裝置中的加熱器加熱和催化劑的作用下，廢氣中的甲醛，甲酸，丙烯醛與空氣中的氧反應(yīng)，生成無毒的二氧化碳和水；(4)在裝置主體1中加入變價元素的氧化態(tài)助劑，裝置中反應(yīng)后轉(zhuǎn)化得到的還原態(tài)金屬鹽催化劑則被氧化態(tài)助劑復(fù)原成活性的氧化態(tài)金屬鹽催化劑；而此后的還原態(tài)助劑則被空氣中的氧氣和混有的氯氣氧化而復(fù)原成氧化態(tài)助劑；(5)經(jīng)過治理裝置凈化后的空氣經(jīng)裝置中的凈化氣出口通道17排放到艙體中，如果空氣在凈化過程中因須加熱而升溫后需要冷卻，可通過凈化氣出口通道中的冷凝回流裝置4冷卻后再排入艙體中，汽化的溶劑水經(jīng)冷凝回流裝置4冷凝成液態(tài)水回流入裝置的主體1內(nèi)；當(dāng)裝置主體1內(nèi)的水積得太多時，啟用分水器5進(jìn)行分水；當(dāng)氣體不須凈化時，啟用旁通管18直接將空氣排放到艙體中。
上述方法中第(1)步所述氧化態(tài)金屬鹽催化劑中的金屬元素是Pt、Pd、Ph、Os元素中的一種，上述第(4)步所述變價元素的氧化態(tài)助劑中的變價元素是Fe、Mo、Cu、As、P、V元素中的一種或幾種。
上述催化劑使用的溫度大于0℃，pH小于3。
上述方法中第(2)步的凈化過程中所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)可用如下的方程式來表示(一)空氣凈化一氧化碳的催化反應(yīng)
(二)空氣氧化氫氣的催化反應(yīng)
(三)溶劑水溶解鹵化氫的凈化原理
生成物進(jìn)入凈化裝置能增強(qiáng)除廢效果。
(四)空氣氧化二氧化硫的催化反應(yīng)
H2SO4進(jìn)入凈化裝置增強(qiáng)除廢效果。
(五)空氣氧化氮氧化物的反應(yīng)
HNO3進(jìn)入凈化裝置增強(qiáng)除廢效果。
(六)氫氣和氯氣毒害氣體互除的催化反應(yīng)
HCl進(jìn)入凈化裝置能增強(qiáng)除廢效果(七)一氧化碳和氯氣有毒氣體互除的催化反應(yīng)
(八)介質(zhì)吸收氨氣的凈化原理
NH4+進(jìn)入凈化裝置無損除廢效果。
上述方法中第(3)步的凈化過程中所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)可用如下的方程式來表示(一)空氣氧化甲醛(醛類)的催化反應(yīng)
(二)空氣氧化甲酸的催化反應(yīng)
(三)空氣氧化丙烯醛的催化反應(yīng)
下面以空氣中的毒害氣體一氧化碳和氫氣為例來說明本發(fā)明的催化原理(一)氧化態(tài)金屬鹽氧化一氧化碳和氫氣被還原成還原態(tài)金屬，其化學(xué)反應(yīng)方程式是
根據(jù)化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)知識可計算出上述反應(yīng)的平衡常數(shù)K≈1025
同理可計算出上述反應(yīng)的平衡常數(shù)K≈1021進(jìn)而可知一氧化碳、氫氣的分壓(含量)p(CO)=p(co2)×[H+]2[M(II)]×K≈10-22Pa]]>
p(H2)=[H+]2[M(II)]×K≈10-20Pa]]>(二)還原態(tài)金屬M(fèi)(0)被助劑Nn+氧化而復(fù)原成氧化態(tài)金屬鹽
(三)還原態(tài)助劑N(n-1)+被空氣或氯氣氧化而復(fù)原成氧化態(tài)助劑Nn+
實(shí)驗(yàn)表明Cl2比O2更易進(jìn)行此反應(yīng)。其中M表示Pd、Pt、Ph、Os元素；N表示Fe、Mo、Cu、As、P、V元素。
上述反應(yīng)中的催化劑使用的溫度大于0℃，pH小于3。催化劑耐溫耐濕耐腐蝕性強(qiáng)，對除潛艇廢氣而言幾乎可永久使用，在必要時稍加處理易再生。
下面通過實(shí)驗(yàn)對本發(fā)明作進(jìn)一步的論述具體操作方法如下催化反應(yīng)在填有玻璃纖維的大號具支試管中進(jìn)行，催化劑用量30mL[含0.6gPd(II)/100gH2O]水溶液，pH＝0，反應(yīng)溫度20℃，反應(yīng)氣組成為0.5％CO(NH3、SO2、H2、HCl)、20％O2(Ar氣稀釋，流量100mL/min)，產(chǎn)物經(jīng)濃硫酸干燥(檢測NH3時用堿石灰干燥)后用GC-8A氣相色譜儀(熱導(dǎo)池檢測器)分析。
采用本發(fā)明的技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，對CO、SO2、H2、HCl等物進(jìn)行GC氣相色譜測定，未檢出被測物。
催化劑失活與再生實(shí)驗(yàn)只用CO通入催化劑，使催化劑有效成分全轉(zhuǎn)變成還原態(tài)而完全失活。向完全失活的催化劑中僅通入空氣，催化劑有效成分的還原態(tài)全轉(zhuǎn)變成氧化態(tài)而完全復(fù)活。
催化劑使用壽命實(shí)驗(yàn)
重復(fù)催化劑失活與再生實(shí)驗(yàn)300次后，催化劑的催化活性如初。向空氣中混入0.5％CO，在室溫下連續(xù)通入催化劑90天，未見催化劑失效。
權(quán)利要求
1.一種空氣自凈法治理潛艇廢氣的方法，其特征在于包括如下順序的步驟(1)將潛艇艙內(nèi)的廢氣送入裝有填料的治理廢氣的裝置中，裝置中添加水和氧化態(tài)金屬鹽類催化劑；(2)在常溫下，廢氣中的氫氣、一氧化碳、二氧化硫、鹵化氫、氮氧化物與空氣中的氧和裝置中的水在催化劑的作用下，生成無毒的二氧化碳、水或能溶于水的無機(jī)酸類物質(zhì)；廢氣中的氯氣也分別與氫氣和一氧化碳相互反應(yīng)生成二氧化碳和鹽酸；廢氣中的氨氣則被裝置中的酸性介質(zhì)吸收，生成對催化劑無毒而易溶于水的銨鹽，進(jìn)一步緩慢氧化得氮?dú)猓?3)在裝置中的加熱器加熱和催化劑的作用下，廢氣中的甲醛，甲酸，丙烯醛與空氣中的氧反應(yīng)，生成無毒的二氧化碳和水；(4)在裝置中加入變價元素的氧化態(tài)助劑，裝置中反應(yīng)后轉(zhuǎn)化得到的還原態(tài)金屬鹽催化劑則被氧化態(tài)助劑復(fù)原成活性的氧化態(tài)金屬鹽催化劑；而此后的還原態(tài)助劑則被空氣中的氧氣和混有的氯氣氧化而復(fù)原成氧化態(tài)助劑；(5)經(jīng)過治理裝置凈化后的空氣經(jīng)裝置中的凈化氣出口通道排放到艙體中，如果空氣在凈化過程中因須加熱而升溫后需要冷卻，可通過凈化氣出口通道中的冷凝回流裝置冷卻后再排入艙體中，汽化的溶劑水經(jīng)冷凝回流裝置冷凝成液態(tài)水回流入裝置里；當(dāng)裝置里的水積得太多時，啟用分水器進(jìn)行分水；當(dāng)氣體不須凈化時，啟用旁通管直接將空氣排放到艙體中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣自凈法治理潛艇廢氣的方法，其特征在于權(quán)利要求1中第(1)步所述氧化態(tài)金屬鹽類催化劑中的金屬元素是Pt、Pd、Ph、Os元素中的一種，第(4)步所述變價元素的氧化態(tài)助劑中的變價元素是Fe、Mo、Cu、As、P、V元素中的一種或幾種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的空氣自凈法治理潛艇廢氣的方法，其特征在于催化劑使用的溫度大于0℃，pH小于3。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種治理廢氣的方法，特別是涉及一種治理潛艇廢氣的方法。本發(fā)明主要針對目前治理廢氣的方法不能一次性處理多種有害氣體、存在著二次污染以及設(shè)備投資大、能耗高的問題，提供一種采用液相催化法，利用空氣自身來有效地消除多種有害氣體的方法。該方法主要是在常溫或加熱的條件下，使廢氣中的氫氣、一氧化碳、二氧化硫、鹵化氫、氮氧化物等有害氣體與空氣中的氧和裝置中的水在催化劑的作用下，生成無毒的二氧化碳、水或能溶于水的無機(jī)酸類物質(zhì)，或有害氣體相互作用生成無毒的二氧化碳等物質(zhì)。該方法能有效去除多種有害氣體，基本上無二次污染；催化劑一次投入，長期使用活性如初，因此能耗低，維持費(fèi)用低。
文檔編號B01D53/86GK101081303SQ20071003525
公開日2007年12月5日 申請日期2007年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月28日
發(fā)明者李大塘 申請人:湖南科技大學(xué)