用於處理PFCs的物理和化學協同淨化系統及方法
2023-05-08 21:38:16
專利名稱：用於處理PFCs的物理和化學協同淨化系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種廢氣的物理和化學協同淨化系統，尤其涉及一種用於處理 PFCs的物理和化學協同淨化系統。同時，本發明還涉及廢氣的物理和化學協同 淨化方法，尤其涉及一種用於處理PFCs的物理和化學協同淨化方法。
背景技術：
隨著現代工業的蓬勃發展，溫室氣體排放量與日倶增。在眾多溫室氣體中， 全氟碳化物(簡稱PFCs)因其具有低毒、化學性質穩定等特點，自二十世紀三 十年代被廣泛應用於工業生產，尤其是半導體製造業。然而，PFCs在大氣中具 有較長的存在年限和強烈的紅外吸收能力，生產過程中未能完全利用的高濃度 PFCs直接排放到大氣中將引起強烈的溫室效應，使全球平均溫度上升，海平面 升高，氣候異常，影響人類生產和活動。因此，1987年的《蒙特婁公約》制 定了破壞臭氧層的化學物質控制措施。1997年12月，在日本京都召開的《聯合 國氣候變化框架公約》締約方第三次會議通過了旨在限制發達國家溫室氣體排 放量以抑制全球變暖的《京都議定書》，PFCs被列為需要嚴格控制的溫室氣體， 截至2005年8月13日，全球已有142個國家和地區籤署該議定書，其中包括 30個工業化國家，批准國家的人口數量佔全世界總人口的80%。中國已於1998 年5月籤署並於2002年8月核准了該議定書，成為第37個籤約國。控制PFCs 的排放在過去的三十年間在全球範圍內引起強烈的關注，近幾年來，隨著我國 半導體工業的快速發展，PFCs排放量逐年增加。國內相關資料顯示，我國在PFCs 削減技術研究方面尚未起步，這將制約我國半導體工業以及與PFCs排放相關工 業的可持續發展，開展削減PFCs排放的相關工作符合我國的環境保護和經濟發 展戰略。
目前對於削減PFCs排放主要有四個途徑1)選擇可以替代PFCs的新的化學
物質；2)生產工藝優化；3)對PFCs循環再利用；4)對排放的PFCs氣體進行末
端治理。雖然前三個措施更加符合清潔生產的原則，但是因為產生PFCs工業的 工藝現狀和經濟成本等條件制約，末端治理脫除PFCs氣體成為目前比較行之有 效的方法。對於PFCs氣體的末端治理去除，國外目前有很多工藝，包括燃燒方法，熱 催化氧化方法，等離子體分解方法等。燃燒工藝是向燃燒爐內加入天然氣或氫
氣作為燃料，可以去除90。/。以上的C2F6， NFg和SF6，但是對於CF4的去除卻很少， 其主要是因為CF4性質更穩定，不易被去除。燃料的加入使處理成本增加，另外 對於副產物，例如HF的收集處理也存在困難，而且燃燒會產生NOx和燃料不完 全燃燒產物，這些物質會形成二次汙染。熱催化氧化工藝將熱分解和催化分解 有效的結合，可以有效的分解PFCs，產生的NOx比較少，但是對反應設備要求 很高，且存在催化劑失效，定期需要更換催化劑，運行成本高等諸多問題。等 離子體方法處理PFCs需要的設備體積小，運行費用相對較低，產生的NOx少。 其中，微波等離子體與介質阻擋放電、直流電弧、射頻等離子體相比，具有能 量利用率高，無電極汙染，電子密度高，等離子體分布均勻等優點，是進行化 學合成與分解，材料表面改性，有害氣體降解脫除的理想工藝，但該方法仍然 存在耗能較大的缺點。
近年來催化劑與等離子體聯合應用去除有害氣體成為研究的熱點。國外許 多學者通過在等離子體反應室中添加固體催化劑，通過等離子體激發催化劑的 催化活性，產生等離子體與催化對汙染物質的聯合去除作用。目前研究的較多 的是介質阻擋放電產生的等離子體或表面波等離子體與催化劑的聯合作用，而 微波等離子體與催化劑協同處理有害氣體，尤其是對全氟碳化物的處理未見報 道。
發明內容
本發明的目的在於提供一種用於處理PFCs的物理和化學協同淨化系統及方 法，其目的在於在較低能耗的情況下，有效去除全氟化碳氣體，尤其是穩定性 很強的CF4。
本發明所述的系統主要包括以下裝置在待處理氣體輸入口處設置有一流
量控制器，流量控制器通過管路與石英管反應器連接，反應器中採用微波激發
並維持微波等離子體，石英管反應器的內壁上預先塗抹並固化一層催化劑薄膜； 所述的等離子體由微波發生器通過波導管提供能量，波導管和石英管反應器採 用中心點直接耦合方式，由於是流動中的氣體被電離產生等離子體，等離子體 為等離子體炬形，待處理氣體以向下旋流模式注入到反應管後經等離子體處理 的同時與催化劑薄膜同步反應，處理後的氣體通入溼式吸收裝置吸收NOx、 HF等
4有害副產物，最後排放。本發明的特點是催化劑塗層固化在反應管內壁，可以
有效的利用高強度的紫外輻射、活性自由基和高溫氣流，達到協同處理效果。 用於處理PFCS的物理和化學協同淨化方法，包括以下步驟
a) 將待處理氣體經流量控制器通入石英管反應器中，微波功率為200-800W， 氣體流速為l-20L/min，四氟化碳濃度在I-IOOOO mL/n^的範圍內，在反應管中採 用微波激發並維持微波等離子體，等離子體與石英管反應器內壁上的催化劑塗 層聯合對混合氣體進行連續處理；
b) 經步驟a)處理後的氣體採用溼式吸收法吸收處理後排放，溼式吸收液採 用飽和Ca (OH) 2溶液，溫度為常溫30度以下。
上述催化劑薄膜固化於石英管反應器的內壁，催化劑薄膜厚度0.1-1.5mm為 上選。
催化劑塗層面積為覆蓋石英管反應器內壁的一部分或者所有區域。 所述的催化劑塗層固化方法包括，室溫乾燥，熱氣流吹掃，紅外加熱烘乾，
微波加熱固化，等離子體處理中的一種或者幾種。
催化劑塗層優選含Ti02、 Zr02、 Si02、 A1203、 CaO、 ZnO中的一種或幾種
混合物。
上述流量控制器可以用閥門替代。
本發明使用微波等離子體與催化劑塗層協同處理含全氟碳化物的氣體。由 於大氣壓下微波等離子體在去除PFCs過程中，產生大量高強度紫外射線、自由 基活性粒子、高溫，對催化劑有活化作用。對反應器出口附近的尾氣溫度檢測 發現溫度在600-900K左右，這些紫外線和高溫熱量蘊含著大量能量。如此高強 度的紫外輻射、活性粒子和高溫氣流，激發催化劑，提高催化劑的活性，使總 體效果大於兩者單獨作用之和，微波等離子體與催化劑的協同作用使PFCs在大 氣壓下被有效去除；在相同功率下可以提高脫除效率，有效的降低了能耗。
本發明的主要特點在於微波等離子體和催化劑的協同效應，即本發明所採 用的協同方法所產生的效果>單獨的微波等離子體作用+催化劑催化分解作用。 汙染氣體脫除效率高，節省能源，無二次汙染。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。 圖1為本發明的系統示意圖。
圖中1、氣體輸入口； 2、流量控制器；3、石英管反應器；4、催化劑薄膜； 5、等離子體；6、溼式吸收裝置；7、波導管；8、微波發生器。
具體實施方式
比較例1考察單獨微波等離子體對PFCs (以CF4為例)的去除效果。微波功率分別 為200、 400和800W時，CF4的脫除效率分別為56%、 69%和77%。比較例2考察等離子體添加氧氣對PFCs (以CF4為例)的去除效果。微波功率分別 為200、 400和800W時，CF4的脫出效率分別為68%、 83%和93%。實施例l考察等離子體對待處理的含PFCs廢氣的脫除效果。將待處理PFCs氣體經 流量控制器(或閥門)1和氣體混合室2後通入反應管3中，反應管3內徑約 15mm，長度400mm;內部塗有納米Ti02薄膜，厚度為0.8mm，面積為覆蓋反 應管管內壁所有區域，面積約為26.5cm 微波功率為200W-800W，氣體流速為 2L/min，四氟化碳濃度為2000mL/m3，氧氣濃度為1000mL/min，在反應管中採 用微波點火，產生微波等離子體，對混合氣體進行連續處理；經檢測，微波功 率分別為200、 400和800W時，反應進行了 1小時時CF4的脫除效率分別為 71.94%、 87.34%、 98.1%。當添加催化劑後，去除率在各個功率下都有提高，且 在小功率小即可達到很高的脫除效率，如催化劑與微波等離子協同作用，在 400W的微波功率下，四氟化碳的脫除效率要高於單獨的等離子體方法和等離子 體中微波功率為800W時的脫除率；且催化劑與等離子體協同作用時，在微波 功率為800W時，四氟化碳的脫除效率均高於98%。因此微波等離子體與催化 劑協同作用的方法可以達到高效節能的目的。 實施例2將待處理PFCs氣體經流量控制器(或閥門)l和氣體混合室2後通入反應管3 中，反應管3內徑約15mm，長度400mm;內部塗有納米1102薄膜，厚度為0.8mm, 面積為覆蓋反應管管內壁所有區域，面積約為26.5cm 微波功率為800W，四氟 化碳濃度為2000mL/m3，在反應管中採用微波點火，產生微波等離子體，對混合 氣體進行連續處理；處理後的氣體採用溼式吸收法吸收處理後排放,溼式吸收液 採用飽和Ca (OH) 2溶液，溫度為常溫30度以下，經檢測，在不同氣體流速下， 反應進行了1小時和10小時時的總脫除效率如表一所示。6表一氣體流速0.517min2L/min10L/min20L/min脫除效率(lh)>99%>98%96%96%脫除效率(10h)>99%>98%96%95%實施例3將待處理PFCs氣體經流量控制器(或閥門)1和氣體混合室2後通入反應 管3中，反應管3內徑約15mm，長度400mm;內部塗有納米Ti02薄膜，厚度 為0.8mm,面積為覆蓋反應管管內壁所有區域。面積約為26.5cm2，微波功率為 800W，四氟化碳濃度為500-1000mL/m3，總氣體流速為2L/min，在反應管中採 用微波點火，產生微波等離子體，對混合氣體進行連續處理；處理後的氣體採 用溼式吸收法吸收處理後排放,溼式吸收液釆用飽和Ca (OH) 2溶液，溫度為常 溫30度以下，經檢測，在不同四氟化碳濃度下，反應進行了 1小時和10小時 時的總脫除效率如表二所示表二四氟化碳濃度 (mUm )50010002000400010000脫除效率(lh)>99%>99%>98%96%81%脫除效率(10h)>99%>99%>98%96%81%實施例4將待處理PFCs氣體經流量控制器(或閥門)l和氣體混合室2後通入反應 管3中，反應管3內徑約15mm，長度400mm;內部塗有納米Ti02薄膜，厚度 為O.l、 0.8禾ni.5mm,面積為覆蓋反應管管內壁所有區域，面積約為26.5cm2， 微波功率為800W，四氟化碳濃度為2000mL/m3，總氣體流速為2L/min，在反應 管中採用微波點火，產生微波等離子體，對混合氣體進行連續處理；處理後的 氣體採用溼式吸收法吸收處理後排放，溼式吸收液採用飽和Ca (OH) 2溶液，溫 度為常溫30度以下，經檢測，TiO2薄膜厚度分為0.1、 0.8禾P1.5mm時，四氟化 碳的脫除效率分別為85.6%、 98.1%、 99.2%。權利要求
1、用於處理PFCs的物理和化學協同淨化系統，主要包括以下裝置在待處理氣體輸入口(1)處設置有一流量控制器(2)，流量控制器(2)通過管路與石英管反應器(3)連接，反應器中採用微波激發並維持微波等離子體(5)，石英管反應器(3)的內壁上預先塗抹並固化一層催化劑薄膜(4)；所述的等離子體(5)由微波發生器(8)通過波導管(7)提供能量，波導管(7)和石英管反應器(3)採用中心點直接耦合方式，由於是流動中的氣體被電離產生等離子體，等離子體為等離子體炬形，待處理氣體以向下旋流模式注入到反應管後經等離子體(4)處理的同時與催化劑薄膜(4)同步反應，處理後的氣體通入溼式吸收裝置(6)吸收有害副產物，最後排放。
2、 用於處理PFCs的物理和化學協同淨化方法，包括以下步驟a) 將待處理氣體經流量控制器(2)通入石英管反應器(3)中，微波功率為 200-800W，氣體流速為l-20L/min，四氟化碳濃度在1-10000 mL/n^的範圍內，在 反應管中採用微波激發並維持微波等離子體(5)，等離子體(5)與石英管反應 器內壁上的催化劑塗層(4)聯合對混合氣體進行連續處理；b) 經步驟a)處理後的氣體採用溼式吸收法吸收處理後排放，溼式吸收液(6) 採用飽和Ca (OH) 2溶液，溫度為常溫30度以下。
3、 如權利要求1或2所述的用於處理PFCs的物理和化學協同淨化系統及 方法，其特徵在於所述催化劑薄膜固化於石英管反應器的內壁，催化劑薄膜厚 5mm。
4、 如權利要求2所述用於處理PFCs的物理和化學協同淨化方法，催化劑 塗層面積為覆蓋石英管反應器內壁的一部分或者所有區域。
5、 如權利要求1或2所述用於處理PFCs的物理和化學協同淨化系統及方 法，其中所述的催化劑塗層固化方法包括，室溫乾燥，熱氣流吹掃，紅外加熱 烘乾，微波加熱固化，等離子體處理中的一種或者幾種。
6、 如權利要求1或2所述的用於處理PFCs的物理和化學協同淨化系統及 方法，其中催化劑塗層包含Ti02、 Zr02、 Si02、 A1203、 CaO、 ZnO中的一種或 幾種混合物。
7、 如權利要求1 6任意一項所述的用於處理PFCs的物理和化學協同淨化 系統及方法，其特徵在於所述流量控制器(2)用閥門替代。
全文摘要
用於處理PFCs的物理和化學協同淨化系統及方法，是利用微波發生器(功率200-800W)輸出頻率為2.45GHz的微波，將微波通過矩型波導管傳輸，調節微波位相使其與共振腔良好匹配。共振腔內部中心設置石英管反應器(內徑為15mm，長度400mm)，石英管內壁塗有氧化物催化劑塗層。需要處理的氣體通過流量控制器(或閥門)控制流量(1-20L/min)，以旋轉氣流模式注入石英管反應器中，被微波激發形成大氣壓下微波等離子體射流。處理後的氣體通過Ca(OH)2溶液吸收有害副產物氣體(NOx，HF等)後排放。本發明具有汙染氣體脫除效率高，節省能源，無二次汙染的特點。
文檔編號B01J19/12GK101502757SQ20091001034
公開日2009年8月12日 申請日期2009年2月9日 優先權日2009年2月9日
發明者冰 孫, 朱小梅, 解宏端 申請人:大連海事大學