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华钛高科对《工业VOCs光解/光催化技术困惑》的解答
 

201710月份有业内人士发表了文章《工业VOCs光解/光催化技术的一些困惑》。针对此困惑,北京华钛高科科技有限公司进行了专门的研究并给出了回复。

问题一:用国内最好的UV灯管,处理后气体达到排放标准,最低需安装UV光管的总功率是多少?

如果以80mg/m3作为排放标准,甲苯完全降解处理效率要求在60%以上。

按照华钛工程模式实验的结果(1500m3/h600mg/m3甲苯),如果要达到60%以上降解率,需要至少30根双波段紫外灯配合30根单波段紫外灯加两层光触媒网,见图1

 

1. 光解光催化协同效应对甲苯降解率

在湿度合适条件下,光解配合光催化对甲苯降解率可以达到65%以上(各位可以随时来华钛工程技术中心现场验证!)


2. 光解单独处理甲苯的负荷依赖关系

如图2,如果只有光解,降解率最高到40%,再增加配置反而降解率下降。如果只有光催化,降解率最高到15%,只有光解光催化共同进行反应,才能到65%以上,说明光解和光催化有协同效应。

上述实验尽管不同于实际工况,但可以获得基本认识。10000m3/h风量,200mg/m3甲苯,实现60%以上降解率所需的光解部分配置在40根(150W双波段),光催化部分配置在40根(150W单波段紫外灯)光催化网3-4平米。合计总功率在12KW

未来不排除通过优化风道设计、提高灯管、光催化网性能等途径提高单元降解效率的可能。但以目前的技术水平,12KW应该是目前的基本配置。

问题二:如果是乙酸乙酯,丁酮等常用的溶剂,最低需安装UV光管的总功率是多少?如果明确了这些参数,有利于规范市场,提高设备的性能。

通过对比实验发现,光解对芳烃类降解效率相对较高(光吸收截面大?),对含羰基类物质降解效率较低;而光催化对芳烃类降解效率相对较低,对羰基类物质(甲醛、乙酸乙酯、丁酮类)降解效率较高。光解光催化协同配合也可以达到60%以上,具体配置跟对甲苯的降解有所不同。

关于UV灯管的发光效率(光通量/功率,这个功率应该包含灯管功率和镇流器的消耗功率),不知现在是否有简单的检测方法。理论上发光的185nm254nm的强度是有一定关系的,不管用何种石英管,对185nm线过滤大于254nm线,还由于在相同条件下臭氧的生成速率与185nm光强度成正比,有没有一套非常简单的动态分析装置,通过测定UV光管的臭氧产生量,来比较UV光管的发光效率。

关于紫外灯的发光效率有专门的国标(可以参考GB 19258-2012 紫外线杀菌灯等标准),用光功率计测试即可。

对光解光催化VOCs治理设备设计,更重要的是理解光功率随着距离的衰减曲线,如图3所示。随着离开紫外灯管壁的距离越远,紫外灯光强呈指数衰减,因此光解部分的紫外灯不能排布太分散,否则光解空间的紫外灯光功率太低,导致降解效率急剧下降。当然太密也不行,一方面温度会太高,另一方面镇流器不好放置。

3. 紫外灯光功率密度随距离的衰减曲线

         目前VOCs治理市场主要的紫外灯都是液汞或汞齐紫外灯,发出紫外线的机理是利用汞等离子体状态的激发-发射光,其中185254波长是其特征波谱(见图4)。不同石英灯管对185254的吸收不同,会影响实际功率输出。对光解部分而言,185nm波长的强度越高越好。

 

4. 汞紫外灯发射光谱(185nm光强远逊于254nm

         有企业通过做成管式反应器测试紫外灯产生臭氧的浓度来判定紫外灯质量。这种方法可以作为参考,但同时还要考虑紫外灯的寿命、时间衰减等。

         华钛主要是通过光功率计测光功率-距离衰减,作为不同厂家紫外灯质量的评价标准,见图5

5. A厂家和B厂家的紫外灯光功率-距离衰减曲线对比

问题三:光管安装的最佳密度是多少?气体通过光解箱子的停留时间?流速?这些也是初学者非常关心的问题。

根据华钛的实践经验,因为紫外灯的光功率随距离衰减很快,因此建议较为密集的配置光解和光催化灯管。其中光解紫外灯间距不应该大于10厘米,光催化部分紫外灯间距不大于10厘米,灯到光触媒网的间距不大于8厘米较好。

网上很多说停留时间,华钛认为不能简单的说停留时间。因为在整个光解光催化箱体中,真正的反应区域只有两个,一个是光解部分的高光功率密度区域,一个是光催化部分的催化网界面。其中光解部分要光功率密度足够高,区域足够大,这样降解能力才足够。但由于光解主要降解机理是光激发分子到激发态导致断键,而不是主要靠臭氧,因此光解部分要根据污染物成分浓度做相应设计。实际光解区域的停留时间并不长。

光催化实际反应速度较慢,主要是靠高比表面积形成气-液界面提高反应容量,通过高催化活性形成更多的羟基自由基提高反应效率。

因此光解光催化更重要的是提高反应区域停留时间,而不是简单的增加箱体尺寸!

气体在箱体中的流速不宜过快,最好在2m/s以内。

问题四:气体从管道到光解箱,应该安装气体分布装置吧?这样才能在光解箱匀速通过。

均流板是肯定需要的! 华钛也做了专门的空气动力学模拟,不同的气动设计对设备的反应效率影响很大!见图6

 


6.全设备空气动力学模拟

问题五:光催化剂载体为泡沫陶瓷时性能最好,而镍蜂窝载体负载的TiO2催化剂几乎没有光催化效果。为何市场上很多用的是镍蜂窝载体负载的TiO2催化剂?既然证明是没有效果的,为何一直使用着,难道是增加一个理念而已?

考虑到比表面积、风阻和耐腐蚀性,做过大量的基材试验后,华钛目前研发制备两种基材的光催化剂,一种是泡沫镍载体,另一种是泡沫陶瓷载体。

有没有效果,重要的是制备方法,市场上主要流行的溶胶-凝胶法制备的二氧化钛喷洒在铝蜂窝上做成的光触媒,由于表面包埋和附着胶的影响,光催化效率很低。

7.溶胶-凝胶法制备光触媒由于包埋和掉粉导致光催化效率较低。因此华钛开发的第四代二氧化钛陶晶技术大幅度提高了光触媒的效率。

为突破上述方法的限制,华钛创新性的开发了二氧化钛陶晶制备技术。通过烧结的方法在载体表面直接烧结二氧化钛纳米“釉”,既实现了高活性比表面积,又牢固耐用,见图8

 

8. 华钛原位烧结技术制备的纳米二氧化钛陶晶(多级复合釉状结构)

         由于制备方法的突破,华钛的光触媒产品获得了很高的光催化活性。其中,按照国标测试的结果是乙醛降解率100%,重复稳定性100%,抗菌率99.99%GBT 23761/63-2009 ),见图9

 

9.华钛按照国标测试的泡沫镍基光触媒评测报告

考虑到日本的光触媒评测标准(JIS R 1701.3-2016)比国标还要高出40倍(浓度高10倍,光催化剂测试面积小4倍),为更好的与国际光触媒顶级产品做对比,华钛还送检了权威的日本神奈川科学技术研究院按照日本标准进行了评测,结果出乎意料的好,见图10

 

10.按照日本标准测试的华钛光触媒结果对比

        

         工业VOCs治理,处理风量大、浓度高、停留时间短、单次通过,这就要求光触媒的催化效率必须非常高,否则根本没有效果。目前市场上的光触媒效率比较低,导致大多数光解光催化设备的效率也非常低,这主要还是因为在线检测手段不到位,容易弄虚作假导致的。

         以台州某环保企业印刷行业的案例作为参考,原设备位低温等离子体加铝蜂窝光触媒,处理效率不到20%,采用华钛泡沫镍基光触媒替换原有光触媒后,处理效率飙升至61%,见图11


11.台州某环保企业替换华钛光触媒后达到61%处理效率

问题5:现在有光解+活性炭组合技术,不明白为何要两者组合,光解和活性炭都是用于低浓度VOCs处理的,难道是为了增加一道保险?众所周知,VOCs通过光解后,有机物会发生解离,生成更小分子的有机物。而活性炭通常对小分子有机物(沸点低)的吸附性能较差。难道活性炭促进光解后的小分子有机物与残留臭氧的反应?

       即使是浓度再低,基于一定风量,灯管的排布和数量还是有科学要求的。不能说浓度低就减配。现在有些环保企业,为了达到利润率,灯管的数量、质量并没有达到科学要求,设备性能也就达不到应有的效果,所以在光解光催化后面又加了一个活性炭模块,完全是为了应付第三方检测。活性炭吸附饱和之后,设备处理效率下降,VOCs处理结果又不达标了。

问题6:由于天津的等离子事故,搞得影响很大,但是发生了爆炸并不能说这个技术不行,可能是使用上的问题,具体问题需要科学分析。在安全性和降解效率方面有哪些提升?

们基于独有的涂层技术,已经在等离子体管上做了二氧化钛图层。

降解效率方面,考虑到等离子体放电过程中会产生紫外,可以与管壁的二氧化钛涂层反应分解VOCs,提升设备降解效率。

安全性能方面,主要是二氧化钛涂层具有很强的自清洁功效,保护等离子体管,减少污染物的附着。大大提升了等离子体的安全性能。

根据华钛的评测结果,等离子体跟光催化协同反应的效果显著,见图12.

12.华钛为双介质阻隔等离子体管涂层前后甲苯降解效率对比

 
 
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