一种低温等离子体协同静电纺丝-光催化技术去除VOCs的装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明属于去除废气中可挥发性有机化合物VOCs的技术领域，具体涉及一种低温等离子体协同静电纺丝-光催化技术去除VOCs的装置及其方法。
【背景技术】
[0002]随着科学技术水平的发展和人民生活水平的提高，在全球范围内都不同程度地出现了环境污染问题，特别是在发展中国家。目前，我国年排放VOCs约1800万吨，《重点区域大气污染防治“十二五”规划》更是提出，“十二五”期间将针对石化、有机化工、合成材料、化学药品原药制造、塑料产品制造、装备制造涂装等重点行业，完善VOCs的污染防治体系，以期达到改善空气质量和污染减排的目的。由此可见，中国的环境保护仍任重而道远。
[0003]目前国内外采用的有机废气处理方法包括吸收、吸附、冷凝、燃烧和生物技术，其都存在投资大、周期长、运行费用高等缺点，且处理效果也难以满足日益严格的排放要求。为此，需要寻找新的方法和途径来解决这一难题，而低温等离子体和光催化技术相结合则是近年来兴起的去除有机废气的有效治理技术。其中，低温等离子体技术具有其独特优点，譬如:处理效率高、反应流程短、适用大多数污染气体、适于处理低浓度大风量的气体等，但单独使用该技术存在能耗较高、产物降解不完全以及难于控制臭氧的排放量等缺点。光催化技术由于其能耗较低、操作简单、催化反应完全等优点被广泛应用，但单独使用也存在一些缺陷，如:紫外光源不稳定、较难处理高浓度大风量的气体、催化剂易中毒失活等。针对这两种技术各自的优缺点，人们开始考虑将两者结合，形成互补。
[0004]等离子体被称为物质的第4种形态，由大量高能电子、离子、分子、中性原子、激发态原子、光子和自由基组成，其总正负电荷数相等，宏观上保持电中性，但表现出很高的化学活性。
[0005]Ce作为一种重要的稀土元素，当其负载于催化剂表面时，具有极高的储存氧和释放氧的能力，它主要具有Ce3+和Ce 4+两种化学价态，在还原气氛中，Ce 4+能被还原成Ce 3+并释放氧；而在氧化气氛中，Ce3+能被烟气中的O2氧化成Ce4+，并储存氧，进而增加催化剂的吸附氧量。因此，在光催化VOCs方面可以大大增强光催化剂的氧化能力，进而增加VOCs的转化率。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种低温等离子体协同静电纺丝-光催化技术去除VOCs的装置及其方法，以能够在较短的时间内去除较难降解的VOCs污染物。
[0007]为了实现上述目的，本发明的技术方案为:
一种低温等离子体协同静电纺丝-光催化技术去除VOCs的方法，其步骤是:
首先，采用静电纺丝技术制备纳米纤维光催化材料:
第一步，在具塞锥形瓶中，加入一定量的钛酸丁酯(Ti (OC4H9)4),然后缓慢滴加乙酸，钛酸丁酯和乙酸的体积比为1.3，磁力搅拌30min，溶液呈黄色透明，作为前驱体溶液；
第二步，配置一定浓度(0.5-3.0moI/L)的聚苯乙烯溶液，溶剂采用四氢呋喃(THF)和N，N- 二甲基甲酰胺(DMF )混合溶剂(DMF/THF=4/6 (wt));
第三步，然后加入上述第一步中的前驱体溶液和硝酸铈(Ce (NO3)3.6Η20)，磁力均匀搅拌3h，至溶液光亮淡黄色透明澄清，作为纺丝溶液；
第四步，将待纺丝溶液吸入到带有不锈钢针头的5ml玻璃注射器中，调整针尖到接受装置的距离，针尖接电源正极，接收装置接电源负极，调整喷射电场强度(1.4-2.0KV/cm)和推进速度(2.0-5.0ml/h)，得到不同直径和表面形貌的Ce02-Ti02/PS复合纤维；
第五步，然后将得到的纤维退火焙烧得到Ce02/Ti02纳米纤维光催化材料；
再采用低温等离子体-光催化技术去除VOCs:
第六步，将纳米纤维光催化材料置入线-管式低温等离子体反应器中，高频高压电源经线-管式低温等离子体反应器中心电极放电，气源由进口进入线-管式低温等离子体反应器，经光催化反应去除VOCs污染物后，由出口排放清洁尾气。
[0008]所述的Ce02/Ti02纳米纤维催化材料中CeO 2的含量为0.5wt%_5wt%。
[0009]所述的Ce02-Ti02/PS复合纤维的直径为500nm-2000nm。
[0010]一种低温等离子体协同静电纺丝-光催化技术去除VOCs的装置，包括静电纺丝装置和低温等离子体反应器；静电纺丝装置包括溶液储存装置、喷射装置、推进器和接受装置，推进器由一端置入溶液储存装置中，喷射装置安装在溶液储存装置的另一端而为内径0.5~2nm的毛细管或注射器针头，喷射装置与接受装置之间接入高压电源；低温等离子体反应器为线-管式结构，线-管式低温等离子体反应器的外电极接地，线-管式低温等离子体反应器中心电极的一端接高频高压电源而另一端与外电极之间接万用表，线-管式低温等离子体反应器进口接气源，而出口接清洁尾气排放管，且出口处接有VOCs检测装置。
[0011]所述线-管式低温等离子体反应器为石英玻璃管，中心电极材料为φ=1.0mm的钨丝，外电极为缠绕在石英玻璃管外壁的不锈钢铁丝。
[0012]采用上述方案后，低温等离子体协同光催化技术处理VOCs的原理如下:在等离子产生过程中，待处理的污染物受高能电子轰击可以直接被分解成单质或转化为无害物质。此外，光催化剂可以选择性地与等离子体产生的中间副产物反应，得到理想的降解物质(如co#ph2o)。因此，低温等离子体与光催化剂协同作用时比单一使用等离子体或光催化剂具有更好的去除效果，可以更加有效地减少中间产物的生成，进一步降低反应能耗。
[0013]拥有的可移动的晶格氧和可变价的阳离子等特点与许多催化反应有着本质上的联系，另外CeO2具有极强的储氧能力和氧化性质，可以增强等离子体光催化过程中的氧化性，加快VOCs的降解速度。
【附图说明】
[0014]图1为实施例中静电纺丝装置示意图；
图2为实施例中低温等离子体-光催化装置示意图；
图3为实施例1中不同CeO2含量光催化剂在不同放电电压条件下对甲苯的去除性能曲线图；
图4为实施例1中不同&02/1102纳米纤维直径光催化剂在不同放电电压条件下对甲苯的去除性能曲线图。
【具体实施方式】
[0015]本发明揭示的一种低温等离子体协同静电纺丝-光催化技术去除VOCs的装置，包括静电纺丝装置10 (见图1)和低温等离子体反应器20 (见图2)。
[0016]静电纺丝装置10包括溶液储存装置12、喷射装置13、推进器11和接受装置14。溶液储存装置12中装入聚合物溶液，溶液储存装置12可以使用注射器或储液罐等，若采用储液罐需插入一根金属电极，该电极与高压电源15相连，使液体带电，若采用注射器，则注射器的针头可直接和高压电源15相连，无需另外插入电极。推进器11由一端置入溶液储存装置12中，推进器11可以推进供液。喷射装置13安装在溶液储存装置12的另一端，喷射装置13为内径0.5~2nm的毛细管或注射器针头。接受装置14 一般为金属平板。喷射装置13与接受装置14之间接入高压电源15。高压电源15用以提供喷射装置13与接受装置14之间的强电场，一般为直流高压电源。静电纺丝装置10使聚合物溶液在高压电作用下拉伸成丝。
[0017]低温等离子体反应器20为线-管式结构。反应器20材料为石英玻璃管，在两端一定距离处各伸出一小管作为处理气体进口 21和出口 22，在反应器20两端采用绝缘塞将反应器20密封。在反应器20石英玻璃管外壁缠绕不锈钢铁丝作为外电极23，此外电极23接地。在反应器20中心位置架设中心电极24作为高压放电极，材料为Φ=1.0mm的钨丝，是为了能在较小的电压条件下得到较大的局部场强，降低起始电晕电压。中心电极24的一端接高频高压电源25为反应供应能量，而另一端与外电极23之间接万用表26。反应器20内置光催化剂，依据不同的空速而定，反应器20进口 21接气源，而出口 22接清洁尾气排放管，且出口 22处接有VOCs检测装置27。
[0018]实施例1:
按照上述Ce02/Ti02纳米纤维光催化材料的制备方法，在20ml的具塞锥形瓶中，加入5ml的钛酸丁酯(Ti (OC4H9)4),然后缓慢滴加乙酸，钛酸丁酯和乙酸的体积比为1.3，