本發(fā)明屬于大氣污染控制裝備研發(fā)與應用領域，具體涉及一種光催化去除空氣中揮發(fā)性有機物(VOCs)的裝置及方法。

背景技術：

空氣中揮發(fā)性有機物(VOCs)是大氣中比較常見的一種復雜有機污染物，這些有機物即使在很低的濃度下，也會散發(fā)出強烈的令人不悅的氣味，其中，很多VOCs有毒并且具有致癌作用，危害人體健康。一些VOCs物種具有較強的光化學反應特性，能夠在日光照射下發(fā)生光化學轉(zhuǎn)化，生成光化學煙霧，此外，VOCs對城市和區(qū)域臭氧的生成產(chǎn)生重要的影響，也是導致霧霾天氣的重要前體物之一。因此，VOCs污染是導致復合型大氣污染的重要因素，是各國嚴厲限制的大氣污染物質(zhì)之一。有大量的方法用于去除VOCs，這些方法大致可以分為兩類：(1)吸附，包括水和化學洗滌，以及活性炭或其他多孔物質(zhì)的吸附。(2)焚化，包括熱、催化和生物氧化。近年來，隨著治理要求不斷提高，一些傳統(tǒng)的處理方法已不適應目前無害化的處理要求。比如，吸附(包括活性炭或者沸石)，該方法僅僅是將環(huán)境中的氣態(tài)污染物轉(zhuǎn)換到了固態(tài)，而且，需要進一步對載體進行再生和處理這些有機物。傳統(tǒng)的焚化處理雖然能夠把污染物氧化為H₂O和CO₂，但是，要求溫度要超過800-1200℃才能把污染物完全破壞。該方法成本較高，不完全燃燒能夠產(chǎn)生副產(chǎn)物，并且如果冷卻控制不當會產(chǎn)生二噁英，此外，在高溫燃燒過程中極易形成NOx。非熱等離子體處理能夠產(chǎn)生對人體健康有害的臭氧和NOx。因此，需要一種既能夠完全礦化VOCs，不需要二次處理，又兼具經(jīng)濟性的技術來去除大氣中的VOCs。

光催化氧化是最有吸引力的高級氧化技術之一，是一種降解各種環(huán)境污染物的有效工具。光催化氧化作用能夠?qū)OCs完全礦化為CO₂和H₂O，因此，也是一種理想的處理VOCs的方法。因此，如何采用光催化氧化技術實現(xiàn)處理VOCs的方法，具有重要的現(xiàn)實意義。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種光催化去除空氣中揮發(fā)性有機物的裝置及方法。

本發(fā)明采取的技術方案為：

一種光催化去除空氣中揮發(fā)性有機物的裝置，包括配氣裝置、光催化反應裝置和檢測裝置，所述配氣裝置包括配氣瓶，配氣瓶的中部和頂部分別安裝進氣口a和出氣口b，進氣口a依次通過氣體循環(huán)泵、轉(zhuǎn)子流量計和反應器的出氣管連通，出氣口b和光催化反應裝置的反應器的底部連通，所述光催化反應裝置設置為圓柱狀石英玻璃反應器，負載在鈦片上的TiO₂光催化劑均勻平鋪在反應器底部，反應器頂部垂直于反應器底部安裝有光源燈，反應器下端設置進氣口c，上端設置出氣口d，所述檢測裝置包括100ml氣體取樣袋和氣相色譜儀。進氣口c內(nèi)通入含揮發(fā)性有機物的空氣，出氣口d通過反應器的出氣管取樣后與氣相色譜儀連通，反應器的出氣管靠近出氣口d的位置通過分支出氣管連接尾氣吸收器。該套裝置系統(tǒng)能夠通過光催化降解作用間歇式的去除大氣中的揮發(fā)性有機污染物。

進一步的，所述反應器的高110mm，內(nèi)徑110mm，壁厚3mm，有效體積1L，頂部的石英玻璃蓋厚度3mm。揮發(fā)性有機污染物在反應器內(nèi)與TiO₂光催化劑接觸，在光照條件下通過光催化作用被降解。

進一步的，所述光源燈采用功率為4-100W的紫外燈，優(yōu)選功率為28W的紫外燈，TiO₂光催化劑在反應器底部的反應面積為16-40cm²，優(yōu)選為32cm²。紫外燈距反應器頂部的距離為3cm。紫外燈提供紫外光，激發(fā)TiO₂光催化劑發(fā)生電子躍遷，生成氧化性活性基團，從而氧化分解揮發(fā)性有機污染物。

進一步的，所述光催化反應裝置內(nèi)部設置有通風設備，為反應器降溫。

一種光催化去除空氣中揮發(fā)性有機物的方法，由配氣系統(tǒng)、光催化反應系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)三部分組成，包括如下步驟：

(1)配氣系統(tǒng)：采用定量加入揮發(fā)配氣的氣體產(chǎn)生方式，配氣瓶通過出氣口b提供濃度為5-35mg/m³、流量為0.5-3L/min的甲苯混合氣體；

(2)光催化反應系統(tǒng)：配氣瓶內(nèi)的甲苯混合氣體通過出氣口b進入圓柱狀石英玻璃反應器內(nèi)，含揮發(fā)性有機物的空氣通過反應器的進氣口c通入反應器內(nèi)，負載在鈦片上TiO₂光催化劑平面布置，紫外燈光源垂直照射TiO₂光催化劑，反應器內(nèi)含揮發(fā)性有機物的空氣進行光催化反應，光催化降解反應過程中采用流量為3L/min的氣體循環(huán)泵進行混合氣體循環(huán)；

(3)檢測系統(tǒng)：在設定的取樣時間點20min，40min，60min，80min，100min分別使用100ml取樣袋人工取樣，然后采用氣相色譜儀進行甲苯氣體濃度檢測。

進一步的，所述步驟(1)中配氣之前，用微量進樣針取一定量的純甲苯液體，注入到配氣瓶中，將配氣瓶的進樣口封住，形成一套封閉的循環(huán)系統(tǒng)。

進一步的，所述步驟(2)中將面積為16cm²、24cm²、32cm²、40cm²的TiO₂催化劑從石英玻璃反應器的上口放入，均勻的平鋪在反應器底部后，用真空油脂將石英玻璃反應器的上蓋和反應器密封住。

進一步的，所述步驟(2)中采用的TiO₂光催化劑為帶狀膜層結構，提高了對紫外光的利用率，增大了TiO₂光催化劑與揮發(fā)性有機物的接觸面積。

本發(fā)明開發(fā)了一種光催化去除空氣中VOCs裝置，并探索了該裝置的最佳運行參數(shù)。其優(yōu)點和效果如下：

(1)本裝置采用光催化劑平面布置，紫外燈光源垂直照射催化劑，提高了光利用效率，構造簡單，便于操控，可以用小功率的紫外燈作為輻照光源，節(jié)約能源，運行費用低。采用的TiO₂光催化劑為帶狀膜層結構，提高了對紫外光的利用率，增大了TiO₂光催化劑與VOCs的接觸面積。

(2)當甲苯初始濃度為34.67mg/m³，光催化劑有效反應面積為32cm²，混合氣體流速為1.5L/min，光催化反應時間為100min時，甲苯光催化降解效率為93.72％。能夠有效去除空氣中的VOCs污染物。

附圖說明

圖1為本發(fā)明制備的光催化降解VOCs裝置示意圖。

圖2為本發(fā)明制備的光催化降解VOCs裝置實物圖。

圖3為本發(fā)明制備的光催化降解VOCs裝置對甲苯混合氣體的降解效果。

其中，1、配氣瓶；2、光源燈；3、尾氣吸收器；4、氣相色譜儀；5、氣體循環(huán)泵；6、轉(zhuǎn)子流量計；7、反應器。

具體實施方式

下面結合附圖進一步說明本發(fā)明。

本發(fā)明中處理VOCs的原理解釋：在所有的光催化劑中，TiO₂因具有高的光活性、很好的穩(wěn)定性和成本低等優(yōu)勢，成為光催化氧化去除VOCs最有前景的光催化劑。與傳統(tǒng)的活性炭吸附和熱氧化相比，TiO₂異相光催化氧化處理VOCs具有很多的優(yōu)勢：(1)常用的光催化劑是銳鈦礦TiO₂，它是一種無毒的n型半導體。(2)動力學研究表明氧化過程中氧的最終來源是分子氧，它是一種比H₂O₂和O₃更溫和的氧化劑。(3)光催化反應在室溫和常壓下即可進行，避免了二噁英等有毒副產(chǎn)物的生成。(4)光催化氧化技術對很多種有機物都起作用，比如，芳香族化合物、烷類、烯烴、鹵代烴類和臭氣混合物等。因此，TiO₂異相光催化氧化是一種很有前景的空氣凈化技術。

實施例1

如圖1和圖2所示，一種光催化去除空氣中揮發(fā)性有機物的裝置，包括配氣裝置、光催化反應裝置和檢測裝置，所述配氣裝置包括配氣瓶，配氣瓶設置為錐形玻璃瓶，錐形玻璃瓶內(nèi)填充甲苯混合氣體，配氣瓶的中部和頂部分別安裝進氣口a和出氣口b，進氣口a依次通過氣體循環(huán)泵、轉(zhuǎn)子流量計和反應器的出氣管連通，出氣口b和光催化反應裝置的反應器的底部連通，所述光催化反應裝置設置為圓柱狀石英玻璃反應器，反應器的高110mm，內(nèi)徑110mm，壁厚3mm，有效體積1L，負載在鈦片上的TiO₂光催化劑均勻平鋪在反應器底部，采用的TiO₂光催化劑為帶狀膜層結構，反應器頂部垂直于反應器底部安裝有光源燈，光源燈采用功率為4-100W的紫外燈，TiO₂光催化劑在反應器底部的反應面積為16-40cm²，反應器下端設置進氣口c，上端設置出氣口d，所述檢測裝置包括100ml氣體取樣袋和氣相色譜儀，進氣口c內(nèi)通入含揮發(fā)性有機物的空氣，出氣口d通過反應器的出氣管取樣后和氣相色譜儀連通，反應器的出氣管靠近出氣口d的位置通過分支出氣管連接尾氣吸收器。

為了保證反應裝置內(nèi)溫度恒定，在反應裝置內(nèi)部裝有通風設備，保證裝置內(nèi)空氣流動，使整個反應過程在室溫下進行。

實施例2

在實施例1的基礎上，不同于實施例1，一種光催化去除空氣中揮發(fā)性有機物的方法，由配氣系統(tǒng)、光催化反應系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)三部分組成。

(1)光催化去除空氣中VOCs裝置的準備：

氣相光催化反應裝置由配氣系統(tǒng)、光催化反應系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)3部分組成。配氣系統(tǒng)提供濃度為34.67mg/m³、流量為1.5L/min的甲苯混合氣體，氣體產(chǎn)生方式為定量加入揮發(fā)配氣，采用的裝置為體積為1L的錐形玻璃瓶，配氣瓶的中部和頂部分別安裝進氣口a和出氣口b；光催化反應裝置為圓柱狀石英玻璃反應器，高110mm，內(nèi)徑110mm，壁厚3mm，有效體積1L；反應裝置頂部安裝功率為28W的紫外燈作為光催化光源燈，TiO₂光催化劑負載在鈦片上，均勻平鋪在反應器底部，反應面積為32cm²；反應裝置上下兩端分別設置出氣口d和進氣口c，在設定的取樣時間點(20，40，60，80，100min)使用取樣袋取樣，然后采用氣相色譜儀進行甲苯氣體濃度檢測，光催化降解反應過程中采用流量為3L/min的氣體循環(huán)泵進行混合氣體循環(huán)。

(2)光催化去除空氣中VOCs裝置的應用：

具體操作步驟如下：烘干后將反應器和配氣瓶冷卻至室溫，將其連接到整個反應系統(tǒng)中；將反應面積為32cm²的TiO₂催化劑從石英玻璃反應器的上口放入，均勻的平鋪在反應器底部，用真空油脂將上蓋和反應器密封?。粚⒀b有催化劑的反應器放在光源下，使光源垂直照射反應器；用微量進樣針取一定量的純甲苯液體，注入到配氣瓶中，立即封上配氣瓶的進樣口，從而形成一套封閉的循環(huán)系統(tǒng)。

光催化降解前，先將反應裝置暗處理30min，此時要打開氣體循環(huán)泵，使氣體在催化劑表面達到吸附和脫附平衡。然后打開光源，每隔20min，用100ml氣體采樣袋取一次樣。用氣相色譜儀進行分析，用1000ul微量進樣針手動進樣，每次進樣量在200ul～800ul。結果如圖3所示，當甲苯初始濃度為34.67mg/m³，光催化劑有效反應面積為32cm²，混合氣體流速為1.5L/min，光催化反應時間為100min時，甲苯光催化降解效率為93.72％，能夠有效去除空氣中的VOCs污染物。

以上所述并非是對本發(fā)明的限制，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明實質(zhì)范圍的前提下，還可以做出若干變化、改型、添加或替換，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。