清除空气中气态苯等离子催化技术

清除空气中气态苯等离子催化技术

技术领域

本发明为一种清除空气中气态苯等离子催化技术，涉及空气净化领域。其特征是空气中的气态苯依次经过低温等离子体、静电除尘和催化系统就能得到高效去除，而且不会产生二次污染。

本发明还涉及上述集成技术应用于制备各种空气净化器。

背景技术

随着我国经济的高速发展和人民生活水平的提高，由装修或装饰材料而造成的空气污染问题非常严重。同时汽车的大量使用及普及，车内使用的装饰材料如仪表台、车窗的朔料件、真皮座椅和海棉坐垫、人造地板等处使用的粘合剂以及车体上的喷漆等都会产生一些有害物质。因汽车内空间狭小、密封性能好更容易造成车内环境的污染。苯是室(车)内主要的空气污染物，研究表明人在短时间内吸入高浓度的苯，可出现中枢神经系统麻醉作用，轻者头晕、头痛、恶心、胸闷、乏力、意识模糊，严重者可致昏迷以致呼吸、循环衰竭而死亡。如果长期接触一定浓度的苯还会引起慢性中毒，可出现头痛、失眠、精神委靡、记忆力减退等神经衰弱样症状。因此苯已经被世界卫生组织确定为强烈致癌物质。

开窗通风、绿植物自然吸收、活性炭的物理化学吸附、等离子体技术、光催化技术和热催化技术等净化方式是常用的改善室(车)内空气苯污染的方法。其中吸附法是最常用的苯净化方式。尽管吸附法具有一定的去除效率、富集功能和能耗较小等特点，从而成为治理苯较常用的方法。然而，无论物理吸附还是化学吸附都不能得到满意的效果，因为当吸附和脱附达到平衡时，吸附剂就会失效或需要再生。等离子体技术对苯气体有一定的净化效率，但是净化过程有由于等离子放电容易产生CO，O₃和甲醛等有害的副产物，产生二次污染。这些均限制了等离子体技术的应用。光催化虽然具有很强的广谱性，其缺点是效率较低，并且往往导致苯分解不完全甚至产生对人体更加有害的副产物。催化氧化技术具有很多的优势是：处理废气效率高、处理量大、处理完全、没有二次污染以及不存在吸附饱和等问题，特别对低浓度污染物的处理非常有效。但 是，催化氧化技术在室温下对苯的去除率很低或者是没有效率。由上述可知，等离子体、静电除尘和氧化催化技术等单一技术均有其优点，也有它的固有无法克服的弊端。

《室内空气质量标准》已于2002年开始实行，其中对多种挥发性有机物在室内空气中的浓度进行了限定。苯的最高允许浓度为0.11mg/m³。长期监测结果显示，对于新装修的室内环境而言，苯系物超标率可以达到1-100倍，室(车)内环境中的挥发性气态苯的治理迫在眉睫。

本发明是等离子体、静电除尘和催化氧化三大技术的优势叠加、劣势互补的高效去除气态苯的高新集成技术，实现了在常湿常温条件下去除室(车)内空气中气态苯的目的。本发明的目的是提供一种低温等离子体和催化剂联合去除气态苯集成技术以及制备方法和应用。

发明内容

本发明的目的1：提供一种低温等离子体和催化剂联合去除气态苯集成技术。

本发明的目的2：提供制备一种低温等离子体和催化剂联合去除气态苯集成技术的制备方法。

本发明的目的3：涉及上述集成技术应用于制备各种空气净化器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现

本发明的目的是提供一种等离子体、静电除尘和催化氧化集成技术。此集成技术实现了室温高效地去除室(车)内的气态苯，没有二次污染的目的，具体的技术方案如下：

1.苯的等离子聚合成固体颗粒物

苯在等离子体的作用下发生等离子聚合(plasma polymerization)和等离子引发聚合(plasma-initiated polymerization)反应而，得到较大的固体聚合颗粒物。

2.固体颗粒物荷电去除

固体聚合颗粒物在等离子的作用下荷电，然后在静电区收集，从而达到去除空气中的气态苯的目的。

3.苯的分解反应

在等离子体作用下，高能电子与苯作用后发生一系列的反应被降解为二氧化碳(CO₂)和水(H₂O)，同时部分苯转化为一氧化碳(CO)和甲醛(HCHO) 等小分子，并且有臭氧产生。

4.小分子的催化去除

催化剂在室温下高效地分解由等离子体放电时产生的臭氧成氧气，催化剂氧化由高能电子与苯作用生成的一氧化碳和甲醛等小分子成无毒害的二氧化碳(CO₂)和水(H₂O)，不会产生二次污染。

本发明技术效果

本发明的技术效果是一种室温可以彻底去除空气中的苯集成技术，特征：在室温常湿条件下将空气中浓度为0.010～200mg/m³的气态苯全部去除，没有有毒的副产物臭氧产生，适用于各种封闭或半封闭体系(如室内或车内)空气中气态苯的消除。

本发明的优点

1.本发明将常压低温等离子体和静电除尘有机结合，使苯在低温等离子体发生聚合成固体颗粒物，然后在者静电区荷电后通过静电收集，因此不会造成环境颗粒物污染。

2.本发明将低温等离子体和催化剂结合，苯在低温等离子体发生化学反应产生的一氧化碳和甲醛等有害物，可以室温下被催化氧化为无害的CO₂和H₂O。

3.本发明使用室温臭氧分解催化剂，分解由等离子体产生的臭氧，防止二次污染，克服了等离子体在室内或车内空气净化领域的应用瓶颈。

具体实施方式

实施例一

本发明具体实施方式主要由气体发生装置、集成系统净化装置和分析仪器三个部分组成。气体发生装置：将苯的纯液体置于恒温水浴槽中，由空气瓶将苯系物的蒸气带出，调节恒温水浴槽的温度得到不同的苯蒸汽的浓度。然后经过集成系统净化装置，苯系物蒸汽的浓度由气相谱HP 6890N气相谱仪测定浓度。

实施例二

本发明的集成系统净化装置包括三个主要的部分，即低温等离子体、静电除尘器和催化剂。

常压低温等离子体：可以采用圆筒式反应器，在多层同心圆筒式反应器的设计中，将放电间隙缩小为0.2cm，这样可以充分将同等电压下的电场强度增大，同时由于放电间隙的减小必然会使气体可通过流量减小，所以采用多层同心圆筒式反应器，这样会大大增大反应器处理污染气体的能力。主要设计参数：放电腔内径：3cm；放电腔外径：5cm；放电腔长度：5cm；放电间隙：0.2cm；阻挡介质：石英玻璃；介质厚度：0.2cm；活性氧化铝圆筒板材。电压为2-16kV。

实施例三

静电除尘器：静电除尘器可以捕集一切细微粉尘及雾状液滴，其捕集粒径范围在0.01～100μm，对PM10和PM2.5的除尘效率可高达99％以上，原理是利用高压电场使颗粒荷电，在库仑力作用下使颗粒与气流分离沉降的装置。由于静电除尘器利用库仑力捕集粉尘，流经除尘器的阻力很小，约98～300Pa。使用的电压是2-16kV。实验结果表明在没有使用静电除尘器时，出口处的PM10和PM2.5分别是3.68和4.24mg/m³，使用后降为0.01和0.02mg/m³。

实施例四

催化剂：催化剂分为室温一氧化碳催化剂、室温同时去除甲醛和臭氧催化剂。室温一氧化碳催化剂的制备如下：

将预先处理好的蜂窝陶瓷(400psi)载体样品浸渍在配制好的硝酸钴或乙酸钴溶液，浸渍1min后取出，吹尽孔道中的残液，在空气中阴干后100℃干燥12h，在400℃空气下焙烧6h。将上述得到的蜂窝陶瓷载体浸渍在含氯金酸和硝酸银的混合水溶液中，其中金的浓度为0.001～0.05mol/l，银的浓度是金的1/3，然后加入适量的NaBH₄使生成金银合金，120℃烘干，400℃焙烧2-24h。重复1-5次使贵金属的含量占总量的1-10％。然后将负载贵金属的蜂窝陶瓷载体样品于400℃焙烧分别得到去除一氧化碳的整体型催化材料。

性能测试：一氧化碳用痕量气体分析质谱仪分析和HP 6890N并带有甲烷化的转化器。测试结果如表1所示。

实施例五

室温甲醛和臭氧催化剂如下：

MnO₂粉末的制备：按照将二价锰盐、强氧化剂在酸性溶液中混合，生成的黑沉淀物在90～100℃的水溶液中剧烈搅拌回流12～48h后，过滤、洗涤，在100～150℃干燥10～24h，然后在200～700℃焙烧得到MnO₂粉末。

MnO₂蜂窝陶瓷整体型催化剂的制备：称取一定量的MnO₂粉末，加入一定比例的去离子水和硅胶粘合剂，高速搅拌1～24h，得到一定浓度的MnO₂复合氧化物浆液。将预先处理好的蜂窝陶瓷(400psi)浸渍在配制好的上述浆液中，浸渍0.5～5min后取出，吹尽孔道中的残液，在空气中阴干后80～130℃干燥8～24h，在200～800℃空气下焙烧1～24h，得到掺杂的氧化锰蜂窝陶瓷整体型催化剂。

将得到MnO₂氧化物的堇青石蜂窝陶瓷载体浸渍在含铂金属前驱体水溶液中，其中Pt的浓度为0.001～0.05mol/l，80-150℃烘干，200-700℃焙烧2-24h。重复几次使Pt金属的含量占总量的1-10％。然后将负载Pt金属的蜂窝陶瓷载体样品于200-600℃的纯氢气中1-36h分别得到蜂窝整体型催化材料。

甲醛用痕量气体分析质谱仪分析。臭氧用臭氧分析仪检测(Photometric O₃analyzer Model 400E，Teledyne Inc，USA)。性能结果见表2.

实施例六

等离子体、静电除尘和氧化催化剂集成技术对苯去除的结果。条件：在室温(18～25℃)和相对湿度为40-100％的条件下，一氧化碳氧化催化剂是Au/Ag合金，Au/Ag物质的量比为3，贵金属总量占Co₃O₄重量的5％，Co₃O₄占400孔的蜂窝载体的25％；甲醛和臭氧氧化剂，MnO₂占400孔的蜂窝载体的20％，Pt占MnO₂重量的3％，Co₃O₄占400孔的蜂窝载体的25％，风速为3.0m/s。

分析仪器：甲醛、苯系物和一氧化碳用痕量气体分析质谱仪分析，辅助用HP 6890N气相谱分析仪。臭氧用臭氧分析仪检测(Photometric O₃ analyzerModel 400E，Teledyne Inc，USA)。结果见表3.

实施例七

等离子体、静电除尘区和氧化催化剂集成技术对苯去除的结果。测试条件同实施例七，使用电压是12kV，连续使用两个月，集成系统非稳定：苯的浓度都＜0.03mg/m³以下，臭氧的浓度＜0.02mg/m³，一氧化碳的浓度＜0.02mg/m³以下，甲醛＜0.01mg/m³。

表1集成系统的一氧化碳催化剂的去除效果。电压(12kV)

表2集成系统的甲醛和臭氧催化剂的去除效果。电压(12kV)

表3等离子体所用的电压对去除苯效果的影响。