一种VOCs尾气处理系统的制作方法

本发明属于废气处理，具体涉及一种vocs尾气处理系统。

背景技术：

1、挥发性有机化学物，简称vocs，是指在常压下沸点低于260摄氏度或室温饱和蒸汽压大于71pa的有机化合物，其主要成分为含氟芳香烃、醇、醚和酯类物质，此外，还含有部分氯化氢、硫化氢和氮化物等无机物，具有浓度大，成分复杂、毒性较强的特征。

2、vocs的来源主要有固定源和移动源两种。移动源主要有汽车、轮船和飞机等以石油产品为燃料的交通工具的排放气；固定源的种类很多，主要为石油化工工艺过程和储存设备等的排出物及各种使用有机溶剂的场合，如喷漆、印刷、金属除油和脱脂、粘合剂、制药、塑料和橡胶加工等。除了这些大污染源外,还有日常生活中随处可见的小污染源，如油漆涂料、地板腊等。就目前的技术水平而言,无法避免这些气相污染物的排放，因此迫切需要有效治理vocs的技术。

3、目前对于vocs的处理主要包括燃烧法、催化法和吸附法，其中燃烧法是将vocs直接通入焚烧炉进行燃烧，将其转化为co2和h2o，该方法运行简单，处理效率高，但设备投资高，且当vocs中存在诸如硫化物、氮氧化物等其它无机污染物时，燃烧后会产生so2、nox等挥发性污染物，导致空气的二次污染。催化法是将vocs通过催化剂同时配合紫外灯，将污染物降解为co2和h2o，相比燃烧和吸附，其不仅处理效率高，而且能针对浓度高、成分复杂的vocs，包括其中的各种无机污染物，进行高效降解，确保尾气能达到排放标准，然而该方法设备投资大，且催化剂需要频繁更换，使得其运行成本更高。吸附法是将vocs通过活性炭、分子筛、树脂等吸附材料，将其中的污染物吸附在吸附材料的孔隙中，从而达到净化空气的目的，该方法投资小，运行简单，同时还可以去除无机污染物，但分子筛和活性炭的吸附量和吸附效率有限，因此不适合处理高浓度的vocs。

4、综上所述，目前利用催化法和吸附法处理高浓度vocs尾气还具有吸附量和吸附效率有限以及光催化剂需要频繁更换的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种vocs尾气处理系统，以解决上述采用催化法处理vocs尾气光催化剂需要频繁更换以及采用吸附法处理高浓度vocs尾气吸附量和吸附效率有限的问题。本发明的vocs尾气处理系统依次设置有冷凝预处理步骤、过滤步骤、分子筛吸附步骤、光催化步骤以及活性炭再吸附步骤，将吸附法和催化法结合起来，两种方法协同作用，能够提高vocs废气处理的效率。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种vocs尾气处理系统，包括以下步骤：

3、(1)预处理：将收集的vocs尾气进行冷凝处理；

4、(2)过滤：冷凝处理后的vocs尾气经过过滤器进行初级过滤；

5、(3)吸附：初级过滤处理后的vocs尾气采用改性分子筛吸附剂进行吸附；

6、(4)催化：吸附处理后的vocs尾气通过光催化系统进行降解处理；

7、(5)再吸附：降解处理后的vocs尾气采用改性活性炭进行吸附，检测合格后，进行排放；

8、改性分子筛吸附剂的制备方法为：

9、(31)将介孔氧化铝分子筛与氨水和碳酸钠的混合水溶液一进行混合，水热处理、过滤、洗涤和干燥，得到前驱体；

10、(32)在氮气气氛中，将前驱体与三氯化铝蒸汽、氯化铜蒸汽和四氯化钛蒸汽进行混合加热处理，得到改性分子筛吸附剂；

11、改性活性炭的制备方法为：

12、(51)将活性炭加入到三聚氰胺和磷酸三乙酯的混合水溶液二中进行浸泡5～8h后，过滤、干燥和烧结，得到氮磷掺杂的活性炭；

13、(52)按照重量份数将聚乙烯醇20～25份、表面活性剂2～4份、交联剂0.5～3份和水90～100份混合搅拌均匀，得到胶黏剂；

14、(53)按照重量份数将氮磷掺杂的活性炭100份和胶黏剂120～140份加入反应釜中，搅拌6～8h后，得到混料；

15、(54)将混料送入造粒设备中，挤压成颗粒炭，将颗粒碳烘烤至水分含量小于5％；

16、(55)将烘烤好的颗粒碳进行破碎，破碎后过筛，得到改性活性炭。

17、优选的，步骤(51)中烧结的温度为500～800℃，时间为1～5h。

18、优选的，冷凝处理包括如下步骤：将收集的vocs尾气依次进行一次冷凝和二次冷凝，一次冷凝的温度为40～50℃，二次冷凝的温度为10～15℃。

19、目前，对于vocs尾气的处理方法主要基于燃烧法、催化法和吸附法，使用单一的方法对于低浓度的vocs尾气进行处理能够达到较好的效果，但是当vocs尾气为较高浓度时，单一的处理方法已经不能完全将其进行吸附或者降解。针对上述问题，本发明特定性地将催化法和吸附法进行结合，依次设置吸附-光催化-再吸附的步骤，对高浓度vocs尾气进行处理，进而使尾气排放达到国家标准。本发明继续研究发现，由于vocs尾气的浓度上升，在吸附步骤和再吸附步骤中使用的分子筛或者活性炭很容易发生吸附饱和，吸附效率下降，针对此问题，对分子筛和活性炭进行了改性。

20、针对分子筛的改性，本发明首先将分子筛与氨水和碳酸钠的混合溶液进行混合，在混合过程中，氨水是一种碱性物质，在分子筛上引入碱性位点可以增强分子筛对某些酸性的vocs的吸附能力，这通常会增加分子筛的表面极性，使得分子筛能够更好地吸引并保持vocs分子；碳酸钠的使用可能会帮助调整分子筛的孔隙结构，使其更适合吸附特定大小或形状的vocs分子，这种孔隙结构的优化有助于提高吸附的选择性和容量。本发明将氨水和碳酸钠处理后的分子筛作为前驱体与三氯化铝蒸汽、氯化铜蒸汽和四氯化钛蒸汽进行混合加热处理，在加热处理过程中，三氯化铝、氯化铜和四氯化钛蒸汽的使用可以在分子筛结构中引入金属离子的过程，这些金属离子可以提供额外的吸附位点，增强分子筛对特定vocs的吸附性能，此外这些金属离子还可以作为活性中心参与到后续的催化过程中，提高vocs的分解效率。

21、针对活性炭的改性，本发明首先以三聚氰胺和磷酸三乙酯为原料，向活性炭中引入氮元素和磷元素，在掺杂过程中，氮和磷元素可以改变活性炭的电子结构，形成更多的π-电子轨道，从而增强活性炭对极性气体分子(如一些vocs)的吸附能力，氮和磷掺杂还能引入新的活性位点，这些位点可以增强活性炭表面的化学吸附能力。氮和磷的掺杂还可以引入碱性或酸性位点，这有助于增强活性炭表面与某些vocs之间的相互作用，尤其是那些具有特定官能团的有机物，从而提高吸附选择性和吸附量。因此氮磷掺杂可以调节活性炭表面的疏水性或亲水性，使之更适合吸附目标污染物，例如，如果目标污染物是疏水性的，则可以通过提高活性炭的疏水性来增加吸附效果。本发明将氮磷掺杂的活性炭与胶黏剂进行混合，胶黏剂的添加会影响活性炭的孔隙率和孔径分布，从而优化气体在活性炭内部的扩散路径，提高吸附速率。

22、优选的，光催化系统中设置有板式光催化剂，板式光催化剂的主要成分是tio2、氧化锌和氧化石墨烯，tio2、氧化锌和氧化石墨烯的质量比为(8～12)：(3～5)：1。

23、本发明为了提高光催化效率，还对板式光催化剂的主要成分进行了限定，以二氧化钛为主料，辅助添加氧化锌和氧化石墨烯，其中tio2是一种常见的光催化剂，但它主要在紫外光下有效，zno同样是一种有效的光催化剂，并且它在可见光范围也有一定的响应，氧化石墨烯则具有较大的比表面积和良好的导电性，可以促进光生载流子的分离，减少电子-空穴复合，三者的结合可以拓宽光响应范围，从而提高光催化效率。zno和go的引入还可以增强tio2的物理和化学稳定性，防止tio2在长时间使用过程中发生聚集或降解，从而保证其长期的光催化活性。由于go的存在，它可以提高复合材料的稳定性和机械强度，从而延长光催化剂的使用寿命，减少更换频率，go的存在也可能有助于提高复合材料的抗污染性，使得光催化剂不易被污染物堵塞或覆盖，从而保持较高的活性。

24、本发明继续研究发现，虽然在二氧化钛中加入氧化锌和氧化石墨烯可以提高光催化性能，但是在长期使用过程中，光催化剂还是会发生降解和结构的变化，导致光催化性能发生下降。针对此，本发明发现通过改变二氧化钛、氧化锌和氧化石墨烯的比例可以提高光催化剂的物理稳定性，本发明中tio2、氧化锌和氧化石墨烯的质量比为(8～12)：(3～5)：1。如果zno或go的比例不合适，可能导致复合材料的物理稳定性不足，遇到酸碱环境容易发生降解或结构变化，从而影响其长期性能。本发明还对二氧化钛、氧化锌和氧化石墨烯的粒径和形貌进行了限定，这同样可以增强材料的机械强度，使其在实际应用中更加耐用，减少更换频率。适当的粒径还可以提高材料的物理稳定性和耐环境性能，减少在使用过程中发生的聚集或沉淀，从而延长催化剂的使用寿命。

25、优选的，二氧化钛的粒径为200nm，锐钛矿，二氧化钛的微观形貌为不规则形状，购自上海巷田纳米材料有限公司，型号为xt-tio2-03。

26、优选的，氧化锌的粒径为400nm，微观形貌为不规则形状，购自上海巷田纳米材料有限公司，型号为xt-zno-04。

27、优选的，氧化石墨烯<10μm，购自上海巷田纳米材料有限公司，型号为xt-go-01。

28、优选的，混合水溶液一中氨水的质量浓度为3～5％，碳酸钠的质量浓度为10～20％，介孔氧化铝分子筛和混合水溶液一的固液质量比为1：(30～50)；水热处理的温度为100～120℃，时间为8～10h。

29、优选的，介孔氧化铝分子筛为mcm-41、kit-1、sba-1、sba-2、sba-6、sba-11、fdu-2、fdu-5、ams-8和tud-1中的至少一种。

30、优选的，三氯化铝蒸汽的流速为5～10ml/min，氯化铜蒸汽的流速为3～5ml/min，四氯化钛蒸汽的流速为1～3ml/min；加热处理的温度为500～800℃，时间为3～6h。

31、优选的，混合水溶液二中三聚氰胺的质量浓度为40～45％，磷酸三乙酯的质量浓度为20～25％，活性炭和混合水溶液二的固液质量比为1：(25～35)。

32、优选的，烘烤的温度为80～120℃，时间为2～8h。

33、优选的，活性炭的碘吸附值为1000mg/g，比表面积为1000～1100m2/g；

34、表面活性剂为十二烷基磺酸钠，交联剂为淀粉。

35、优选的，改性活性炭的粒径为1-3mm。

36、因此，本发明采用上述的一种vocs尾气处理系统，具有以下有益效果：

37、1、本发明的vocs尾气处理系统依次设置有冷凝预处理步骤、过滤步骤、分子筛吸附步骤、光催化剂步骤以及活性炭再吸附步骤，将吸附法和催化法结合起来，两种方法协同作用，不仅能够提高vocs废气处理的效率，还能提高废气处理的效果。

38、2、本发明通过在介孔氧化铝分子筛表面引入特定的化学基团或元素，如alcl3、cucl2和ticl4，这些成分可以增强分子筛表面的极性和亲油性，进而改善其对vocs的选择性吸附能力，此外改性过程可能会在分子筛内部形成更多的吸附位点，从而增加吸附量。

39、3、本发明中的氮和磷掺杂可以改变活性炭的电子结构，提高其表面的化学活性，使得活性炭对于某些vocs具有更高的亲和力，这种掺杂还可以增强活性炭的稳定性，防止在吸附过程中发生化学反应导致的失活。

40、4、本发明的板式催化剂中以tio2作为主要的光催化成分，其与氧化锌和氧化石墨烯的协同作用可以提高光催化效率，tio2的光生电子空穴对容易复合，而氧化锌和氧化石墨烯可以起到分离电子空穴的作用，减少复合损失，从而提高光催化活性。此外，氧化石墨烯的存在还能够提高催化剂的导电性，降低电阻，使光生电子更容易传输，提高光催化效率并延长催化剂的使用寿命。

41、下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。