用於將含有有害物質的廢氣淨化的裝置的製作方法
2023-08-05 03:15:21
專利名稱：用於將含有有害物質的廢氣淨化的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於將廢氣管中含有有害物質的廢氣淨化的裝置。
這種類型的用於將含有有害物質的廢氣淨化的設備可從EP 0778080B1得知。
本發明還涉及一種廢氣管的反應站(reaction stage)，所述反應站包括至少一個氣體導管(air conduit)，其中管狀紫外線發射器縱向地設置在廢氣的流動方向上。
這種類型的廢氣管的反應站可從JP 07-060058A中得知。
背景技術：
從EP 0778080B1中可知，在反應站中，通過在氣體導管中以高能短波紫外線(UVC)光照射廢氣，可使諸如溶劑或臭氣物質之類的有害物質在光氧化作用下反應。原則上，還公知有將多個氣體導管並行設置，從而可提高有效程度(degree of effectiveness)。由於短波紫外線輻射和廢氣的相互作用，從而產生分解有害物質所需的活性組分(reactive species)。通過廢氣的氧分子和水分子吸收短波紫外線光，從而產生氧化劑臭氧、過氧化氫以及O基和OH基。這些氧化劑具有高氧化電位，從而可以氧化有害物質。並引發鏈式反應，該鏈式反應中產生可能再攻擊其它分子的新的基。另外，有害物質分子及其分解產物吸收短波紫外線輻射。由於吸收了光能，因此有害物質被激發到更高能級，從而有害物質被激活以與活性組分反應或與大氣中的氧氣反應。如果提供充分的光能，則分子分解。有害物質的光分解的分解產物可能還形成OH基或引發基鏈反應。由於光致激發以及活性氧化合物的存在，因此均相氣相反應開始。
結合上述光氧化反應，反應站連接有催化劑單元，該催化劑單元允許進行另外的分解反應，並且在該催化劑單元中可以分解多餘的臭氧，從而確保有害氣體的臭氧不會進入到環境中。
從EP 0778070B1中可知，催化劑優選為活性碳催化劑。所使用的活性碳是具有大約1,200m2/g內表面面積的多孔材料，該多孔材料的內表面可用作反應面。活性碳的目的是首先保留難以被氧化的化合物，從而提高這些化合物在反應器中的保留時間。因此與氣相相比，這些成分的濃度得以增加，從而可提高這些成分與在活性碳表面上所形成的氧組分的反應率。另一方面，活性碳用作隨後的催化劑，由於活性碳作為臭氧過濾器，所以其確保有害的臭氧不會進入到環境中。
根據EP 0778070B1，管狀紫外線發射器通常用於產生紫外線輻射。EP0778070B1中沒有指明如何將紫外線發射器設置在光氧化反應站中。然而，從現有技術中可得知給出紫外線發射器的優選布置的反應站。
JP 07-060058A公開了一種用於將廢氣管中含有有害物質的廢氣淨化的裝置，在該裝置中紫外線發射器以平行於廢氣的流動方向設置在氣體導管中，並且該裝置的紫外線發射器的紫外線輻射波長在185nm範圍內，也可以在254nm範圍內。JP 07-060058A還提出可以使用二氧化鈦塗布氣體導管的內壁，從而在相同的反應站中可獲得催化效應。
DE 19740053A1公開了另一種用於將廢氣管中含有有害物質的廢氣淨化的裝置，在該裝置中在光氧化反應站中以平行於廢氣的流動方向設置有多個紫外線發射器。DE 19740053A1中還提及將二氧化鈦另外用作催化劑，並為了使廢氣中含有的有害物質與紫外線輻射之間更充分地相互作用的目的，而提出了相應的擋板和/或多孔板。
發明內容
已發現節省成本的、緊湊的廢氣淨化系統的可獲得性變得越來越重要，尤其是對小型生產裝置而言更為重要。起源於JP 07-060058A中公知的裝置，因此本發明的目的是以簡單的方式提高受到有害物質汙染的廢氣在氣體管道中被淨化並將有害物質清除的分解率，以能夠提供節省成本的、緊湊的廢氣淨化系統。
上述目的可通過根據權利要求1的廢氣管的反應站以及根據權利要求14用於將含有有害物質的廢氣淨化的裝置來實現。
本發明的主要發現是通過適當改變JP 07-060058A中公知的氣體導管的截面形狀，來改善紫外線輻射、廢氣中含有的有害物質以及塗布在氣體導管內壁上的催化劑之間的相互作用。JP 07-060058A中提出了氣體導管的截面為正方形或矩形。與之相比，本發明證實了如果至少一個氣體導管的截面構造為具有至少五個邊的正多邊形，則可以提高氣體導管內的分解率。
根據優選實施例，多個氣體導管以蜂窩狀結構一個挨著一個地設置。如果多個氣體導管彼此並行設置，則這種結構可使根據本發明的反應站的結構更為緊湊。
對於蜂窩狀結構的構造，推薦將氣體導管的截面構造為相應的正六邊形或正八邊形。
本發明的邊界線情況由截面形成，在該截面中正多邊形可構造為圓形且由此正多邊形可以有效地由無數個邊組成。從提高有效程度的觀點來看，圓形截面的邊界線情況是最佳的；然而，如果多個氣體導管並行設置，則多個氣體導管之間的空隙將不能被利用。因此，對於並行設置的多個氣體導管，具有六邊形或八邊形截面的蜂窩狀結構被證明是現有技術中公知的矩形截面與圓形截面之間有益的折衷。
根據優選實施例，通過側面上連接的接觸軌，相應的紫外線發射器保持在所述至少一個氣體導管中。所述接觸軌優選為以可以容易地維修和更換管狀紫外線發射器的方式構造。
根據另一個優選實施例，紫外線發射器發出的輻射導致在廢氣流過時在廢氣中產生諸如臭氧和/或含氧基之類的活性反應物。公知地，如果將由相應的紫外線發射器發出的輻射波長設置在185nm範圍內，則可以、尤其可以達到這種效果。
根據再一個優選實施例，紫外線發射器發出的輻射導致廢氣中含有的碳氫化合物被激發到更高能級。公知地，如果將由相應的紫外線發射器發出的輻射波長設置在254nm範圍內，則可尤其是達到這種效果。
因此，使用發射波長在廢氣中含有的氣體分子的吸收光譜範圍內的這種紫外線發射器是非常有利的，而且由於這些波長範圍可以從傳統水銀燈得到，因此推薦在這種情況下使用的波長範圍為185nm和254nm。同時為了進一步減小反應站的整個尺寸，也可以提供功率增加的分別使用的紫外線發射器。更高功率的紫外線發射器的光強度必須確定為波長的函數，以使有害物質分子的吸收光譜與光源的發射光譜之間有充分的重疊。
本發明的另一個發現是相對於可用於塗布氣體導管內壁的催化材料來優化波長，而不是相對於廢氣中含有的氣體分子的吸收光譜來優化由紫外線發射器發射的波長。起源於JP 07-060058A，由此本發明的這個發現涉及廢氣管的包括至少一個氣體導管的反應站，其中管狀紫外線發射器縱向地設置在所述廢氣的流動方向上，並且所述氣體導管的內壁塗布有作為催化材料的寬帶半導體材料。在JP 07-060058A中，使用二氧化鈦(TiO2)作為催化材料。
起源於JP 07-060058A中公知的裝置，本發明的目的在於以簡單的方式來增加將氣體導管內被有害物質汙染的廢氣淨化並將有害物質中清除的分解率，在以半導體材料塗布氣體導管內壁的基礎上，該目的可以實現，因為所述相應的紫外線發射器發出的輻射波長大於254nm，並且所述相應的紫外線發射器發出的輻射能量基本上大於或等於所述半導體材料的化合價與導帶之間的能量差。
原則上，使用能量大於或等於半導體材料的化合價與導帶之間的能量差的光子進行光半導體照射，將產生電子-空穴對。本發明最重要的發現是紫外線發射器發射的波長在接近半導體的吸收邊(absorption edge)處對於進行光催化反應尤其有效，並導致光催化反應。因此，紫外線發射器發射的波長範圍可以不在傳統水銀燈的波長範圍185nm和254nm內，而可以選擇性地或額外地具有更大波長範圍，從而該紫外線發射器發出的輻射能量相應地降低，但足以克服半導體材料的化合價與導帶之間的能量差，這一點是明確的。
帶隙在大約2eV到4eV之間的所有半導體，例如二氧化鈦(TiO2)、氧化鋅(ZnO)、硫化鎘(CdS)、二氧化鋯(ZrO2)、三氧化鎢(WO3)、二氧化鈰(CeO2)、三氧化鍶鈦(SrTiO3)或氧化鋯鈦(ZrTiO4)，在原則上都適於進行這種光催化作用。二氧化鈦(TiO2)或摻雜二氧化鈦被證明為尤其適於這種光催化作用，正如其所表現的，其有效地將反應性、環境接受性、長期穩定性的特性和節省成本結合。所有光半導體可以由波長在340nm到500nm之間的等能量光來激發。
通常已發現，如果氣體導管的內壁塗布有作為催化材料的寬帶半導體材料，則在根據本發明的反應站的範圍內可獲得期望的催化效應。對於相應的紫外線發射器，必須確保紫外線發射器發出的輻射波長範圍以下述方式進行選擇，即發出的輻射能量至少大於或等於半導體材料的化合價與導帶之間的能量差。
根據優選實施例，半導體材料由二氧化鈦以公知方式組成。但是，半導體材料還可以由摻雜二氧化鈦組成。由於以能量大於或等於半導體材料的化合價與導帶之間的能量差的紫外線輻射來照射二氧化鈦或摻雜二氧化鈦的，因此在半導體材料中首先產生電子-空穴對。然後形成有效促進有害物質進行氧化過程的含氧基。已發現，為了獲得紫外線輻射與催化材料之間的最佳相互作用，應該考慮紫外線發射器與氣體導管內壁之間的距離。為了將根據本發明的氣體導管最優化，因此將以下述方式選擇所述距離，即對於已給定的催化材料和預設的紫外線發射器而言，可以得到相應的有害物質的最佳分解率。測試表明，為了利用二氧化鈦獲得催化效應，相應的紫外線發射器發出的輻射波長優選為在350nm到420nm範圍內。
因此，根據本發明的反應站可用於改進EP 0778070B1中公知的、用於將廢氣管中含有有害物質的廢氣淨化的裝置的分解率和尺寸。
因此，本發明的另一個解決方法是提供一種用於將廢氣管中含有有害物質的廢氣淨化的裝置，該裝置包括根據本發明的上述反應站以及在該反應站之後的催化劑單元。
該裝置提供了節省成本的、緊湊的系統，其尤其適用於低體積流速和小型生產裝置，例如小型上釉術作業(enamelling work)或小型餐館。
根據優選實施例，催化劑單元由活性碳催化劑組成。如上所述，隨後的催化劑單元不僅會提高由反應站提供的氣流的反應率，而且會提高仍包含在到達的氣流中但不意圖散發到環境中的臭氧的分解。因此，如果過量的臭氧到達活性碳表面，則臭氧與吸附在活性碳表面的有害物質發生反應，或將活性碳中的碳氧化。後一種情況由於通過光能產生的臭氧沒有使用(即沒有對有害物質進行氧化)就損失，會引起能量損失。
因此，根據優選實施例，提供一種氧化還原系統，其能可靠地避免臭氧排到環境中，但儲存臭氧的氧化力。例如，推薦使用高錳酸鉀/二氧化錳作為氧化還原對。由於通過高錳酸鉀對有機有害物質進行氧化，形成二氧化錳，該二氧化錳由於與臭氧的反應重新形成高錳酸鉀。
必須記住的是，在提供的隨後的催化劑單元中，由於不得不對包括一種主要成分以及多種次要成分的有害物質混合物進行處理，因此實際上待分解的有害物質的混合物通常由大量的不同物質組成。而且，由於在反應站中的光氧化作用，將連續地產生在隨後的催化劑單元中不得不也要被分解的另外的有害物質。由於有機化合物的氧化反應由複雜的反應機理控制，所以經常只有通過一系列的若干氧化步驟才能實現有害物質的氧化以形成CO2。有機化合物的極性在整個反應過程中增加，以形成最終產物CO2。有害物質混合物的複雜性導致所述成分為了催化劑單元中的吸附位置而競爭。但是，這意味著單一吸附材料不再足以吸附有害物質的複雜混合物中的所有化合物。例如，作為無極性吸附劑的活性碳也優選吸附無極性有害物質。
因此，根據另一個優選實施例，提供一種由不同極性的催化劑組成的催化劑單元。從而，如果從反應站提供的廢氣中的有害物質具有不同的極性，則可以額外提高分解率。
根據再一個實施例，提供一種由反應站和隨後的催化劑單元組成的多個單元，所述多個單元設置為一個在另一個之後。由於提供了多個催化劑單元，每一個催化劑單元之後具有反應站，因此，在未淨化氣體被有害物質以不均勻的方式汙染的情況下，可以相對於有害物質的平均濃度來優化廢氣淨化系統的結構。如果僅有一個催化劑單元，則該系統必須相對於有害物質濃度出現的最大值來進行構造，因此該系統的尺寸增加，進而其成本增加。但是，在上釉術工藝的情況下，例如在製造工藝中廢氣被有害物質以不均勻方式汙染。由於使用了包括隨後的反應站的插入的催化劑單元，因此有害物質的峰值被平整，從而將不能「突圍」。如果有害物質濃度峰值影響催化劑單元，則有害物質在催化劑表面上被吸附和反應，或緩慢地再次以氣相排出，因此可能通過另一個隨後的反應站而分解。由此，整個系統的分解率可以進一步得到提高，並且即使在濃度上有明顯變化的情況下也能夠可靠地構造該系統。多個反應站和催化劑單元設置為一個在另一個之後，因此最終可形成更緊湊的系統，從而降低成本。
下面將基於多個實施例並參考所附附圖，對本發明進行更詳細的描述，
在附圖中圖1是根據本發明氣體導管的剖視圖和立體圖；圖2是根據本發明包括多個並行氣體導管的反應站的立體圖；以及圖3是根據本發明包括反應站的廢氣淨化系統的立體圖。
具體實施例方式
圖1是根據本發明氣體導管的剖視圖和立體圖。從平面A-B的截面可以看出，氣體導管101的截面是正六邊形。在氣體導管101的中央設置有管狀紫外線發射器102。被有害物質汙染的廢氣從入口103進入，並從出口104再放出。為了在氣體導管101內獲得催化效應，因此在內壁105上塗布寬帶半導體材料，例如二氧化鈦或摻雜二氧化鈦。
圖2是根據本發明包括多個並行氣體導管的反應站的立體圖。單個氣體導管101與圖1中示出的氣體導管相對應且以蜂窩狀結構並行設置。在每個氣體導管101中以對應的方式設置相應的管狀紫外線發射器。互相連接的所述氣體導管101由金屬殼圍繞，從而形成反應站201。在氣體入口203和氣體出口204上設置有相應的接觸軌202，所述接觸軌202一方面起到用於電饋送到紫外線發射器的電纜導管的作用，另一方面機械地將紫外線發射器保持在氣體導管101中。在側面設置有對應的串行連接單元205，其用於電激活紫外線發射器。在反應站201的下端設置有滑軌206和207，因此整個系統中的反應站201可以為了維修目的在對應的滾輪上被引入或拆下。
如果氣體導管的內壁塗布有催化材料，則可進一步改善分解率。由於反應站是包括多個氣體導管的蜂窩狀結構，因此可以在直接接近紫外線輻射處，提供較大的催化劑表面同時壓力損失很小。對催化劑表面的直接照射可以使寬帶半導體材料有效地進行光催化作用。已證實二氧化鈦尤其適於作為催化材料。由於以紫外線光照射二氧化鈦，而紫外線光的能量大於或等於半導體的化合價與導帶之間的能量差，因此在半導體材料中首先產生電子-空穴對。然後形成能夠有效促使有害物質進行氧化過程的O2-組分。該過程使用波長在340nm到420nm範圍內的紫外線發射器來引發。
然後氣體分子被吸附在由光照射形成的電子-空穴對所產生的電荷上。然後共同吸附的(co-absorbed)分子將被激發並形成躍遷態，由此這些分子反應而形成最終產物，同時形成中間產物。無害的反應產物解吸並發散到環境中。
因此，可將光催化反應分為四個步驟1.產生電荷對2.將氣體吸附在所產生的電荷上3.鄰近的吸附活性分子之間發生反應4.產物解吸通過多相光催化作用，例如可以在室溫下，以高效率將通過光氧化作用難以被氧化的化合物例如氨、甲醛或低級醇與大氣中的氧燃燒，以形成氮、CO2和水。已在一般條件下描述的該反應進程為下面的情形廢氣直接進入設置有由紫外線光激發的二氧化鈦的反應管中。光半導體的照射導致電子/空穴對產生。然後氣體分子吸附在所產生的電荷上，其中在吸附過程期間的能量增加決定了哪些分子優先與電子相互作用，哪些分子優先與空穴相互作用。在反應配對物(reaction partner)為氨和氧的情況下，由於它們各自的分子特性，因此氨與空穴反應，而氧與電子反應。然後共同吸附的分子被激發並形成躍遷態，由此這些分子反應以形成最終產物，同時形成中間產物。無害的反應產物氮和水解吸並發散到環境中。
圖3是根據本發明包括反應站306和307的廢氣淨化系統301的立體圖。在所有情況下，反應站306和307都與圖2中示出的反應站201相對應。含有有害物質的廢氣經由供應管302提供到廢氣淨化系統301。在根據圖3的圖示中，可以任意地提供結構相同並設置為一上一下的兩個系統303和304，以提高被淨化氣體的質量。為了簡明起見，下面僅描述系統304，該系統304的單個元件可通過一部分被切掉的附圖而更詳細地示出。
因此，首先將分配站(distributor stage)305連接到供應管302，該分配站305均勻分配到達的氣體，並隨意過濾相對較大的有害物質粒子。根據本發明，來自分配站305的運送氣體進入反應站306和307。結構相同的兩個反應站306和307設置為一個在前一個在後，以提高分解率。當然，廢氣淨化系統301也可以構造為僅有一個反應站306。催化劑單元308連接到兩個反應站306和307，該催化劑單元308例如以上述方式可由灌裝的多孔活性碳材料組成，該多孔活性碳材料具有可作為反應面的接近1,200m2/g的內表面面積。
從催化劑單元308放出的氣體進入風扇單元309，這樣可以確保在供應管302與排出管310之間保持合適的壓力差。
儘管依據本發明廢氣淨化系統301與EP 0778070B1的區別在於具有如圖2所示的一個或多個反應站306、307，但是原則上，廢氣淨化系統301使用根據EP 0778070B1的方法運行。由此，被有害物質汙染的廢氣可穿過供應管302，再經由分配站304而進入反應站306、307，在所述反應站中短波紫外線光引發化學反應。有氣味的物質和有害物質分子被分解，同時有害物質基和臭氧生成為氧化劑。有害物質的氧化產生環境可接受的產物CO2和H2O。難以氧化的化合物和過量的臭氧在隨後的催化劑單元308中被分解。淨化的無氣味的氣體經由風扇單元309和排出管310發放到環境中。
為了對不均勻的有害物質汙染物進行有效處理，因此可以以上述方式在位置311處插入另一個催化劑單元。所述另一個插入的催化劑單元能夠將即使只是暫時出現的高濃度有害物質進行分解。
權利要求
1.一種廢氣管的反應站，所述反應站包括至少一個氣體導管，在所述至少一個氣體導管中，管狀紫外線發射器縱向地設置在所述廢氣的流動方向上，其特徵在於，所述至少一個氣體導管的截面構造為具有至少五個邊的正多邊形。
2.如權利要求1所述的反應站，其特徵在於，多個氣體導管以蜂窩狀結構一個挨著一個地設置。
3.如權利要求2所述的反應站，其特徵在於，所述氣體導管的截面構造為相應的正六邊形。
4.如權利要求2所述的反應站，其特徵在於，所述氣體導管的截面構造為相應的圓形。
5.如權利要求1到4中任一項所述的反應站，其特徵在於，所述相應的紫外線發射器通過側面連接的接觸軌保持在所述至少一個氣體導管中。
6.如權利要求1到5中任一項所述的反應站，其特徵在於，所述紫外線發射器所發出的輻射在廢氣流過時導致在廢氣中產生諸如臭氧和/或含氧基的活性反應物。
7.如權利要求6所述的反應站，其特徵在於，所述相應的紫外線發射器發出的輻射波長在185nm範圍內。
8.如權利要求1到7中任一項所述的反應站，其特徵在於，所述紫外線發射器發出的輻射導致所述廢氣中含有的碳氫化合物被激發到更高能級。
9.如權利要求8所述的反應站，其特徵在於，所述相應的紫外線發射器發出的輻射波長在254nm範圍內。
10.一種廢氣管的反應站，所述反應站包括至少一個氣體導管，在所述至少一個氣體導管中，管狀紫外線發射器縱向地設置在所述廢氣的流動方向上，並且所述至少一個氣體導管的內壁塗布有作為催化材料的寬帶半導體材料，其特徵在於，所述相應的紫外線發射器發出的輻射波長大於254nm，並且所述相應的紫外線發射器發出的輻射能量基本上大於或等於所述半導體材料的化合價與導帶之間的能量差。
11.如權利要求10所述的反應站，其特徵在於，所述相應的紫外線發射器發出的輻射波長在所述半導體材料的吸收邊範圍內。
12.如權利要求10或11所述的反應站，其特徵在於，所述相應的紫外線發射器所發出的輻射波長在340nm到500nm範圍內，優選為在350nm到420nm範圍內。
13.如權利要求10到12中任一項所述的反應站，其特徵在於，所述半導體材料由二氧化鈦(TiO2)或摻雜二氧化鈦組成。
14.如權利要求10到12中任一項所述的反應站，其特徵在於，所述半導體材料由氧化鋅(ZnO)、硫化鎘(CdS)、二氧化鋯(ZrO2)、三氧化鎢(WO3)、二氧化鈰(CeO2)、三氧化鍶鈦(SrTiO3)或氧化鋯鈦(ZrTiO4)組成。
15.一種用於將廢氣管中含有有害物質的廢氣淨化的裝置，其包括如權利要求1到14中任一項所述的反應站，且包括在所述反應站之後的催化劑單元。
16.如權利要求15所述的裝置，其特徵在於，所述催化劑單元由活性碳催化劑組成。
17.如權利要求15所述的裝置，其特徵在於，所述催化劑單元基於氧化還原系統。
18.如權利要求17所述的裝置，其特徵在於，所述氧化還原系統由高錳酸鉀/二氧化錳成分構成。
19.如權利要求15所述的裝置，其特徵在於，所述催化劑單元由不同極性的催化劑組成。
全文摘要
本發明涉及一種用於將含有有害物質的廢氣淨化的裝置，該裝置包括根據光氧化原理的反應站。所述反應站包括至少一個氣體導管，在所述至少一個氣體導管的內部沿著廢氣的流動方向設置有管狀紫外線發射器。為了以簡單方式提高所述氣體導管內的分解率，所述至少一個氣體導管的截面為具有至少五個邊的正多邊形。
文檔編號B01D53/86GK1826144SQ200480020989
公開日2006年8月30日 申請日期2004年7月2日 優先權日2003年7月3日
發明者維爾納·施洛德 申請人:維爾納·施洛德