一种提高微波强化催化降解VOCs的设备的制作方法

一种提高微波强化催化降解vocs的设备
技术领域
1.本技术涉及vocs处理领域，特别是涉及一种提高微波强化催化降解vocs的设备。


背景技术：

2.随着社会科技的进步，vocs(挥发性有机物，volatile organic compounds)成为空气中的首要污染物之一，对人类及环境造成重大危害。人们长期的处在高浓度vocs环境中，会引起慢性中毒，损害肝脏和神经系统、引起全身无力、瞌睡、皮肤瘙痒等，严重者还会损害系统，以至引发癌症、白血病等重疾。同时vocs易与大气环境中的氮氧化物发生化学反应，产生二次污染物，如臭氧或活性自由基，对人造成生命危险，并且危害农作物。对vocs的处理已经引起社会的广泛的关注。
3.现有对vocs处理技术主要有催化氧化法、吸附法、吸收法、膜分离法、光催化法和生物法等，其中催化氧化法处理vocs去除率可高达95％以上，且反应产物对环境无二次污染，具有对vocs的高度选择性，成为目前最有效的方法。
4.微波能是一种绿色清洁的能源，可对物体进行快速、高效的加热。因此，有人提出利用微波作为热源，对催化剂进行加热，对化学反应起到强化催化的作用。微波作用于催化氧化反应时可起到两种作用，一个是加热催化剂，使催化剂达到一定的温度，发生化学反应；另一个是促进化学反应。因此，微波应用到催化氧化技术处理vocs成为热点。对于多相反应，化学反应发生在催化剂表面，同时微波与催化剂相互作用也是发生在催化剂表面，由此强化表面化学反应，因此催化剂的活性温度直接影响到处理效果，温度过高或过低都会影响催化剂的活性。
5.在微波辅助催化处理vocs的设备中，往往存在电场分布不均匀的问题，从而导致微波对催化剂加热不均匀，最终影响催化活性。然后现有技术并未考虑到此问题，通常采用直接加热，忽视了催化剂同时出现局部受热过度且受热过低的情况。
6.因此，亟需提供一种能提高微波强化催化降解vocs的设备，实现微波环境中催化剂的均匀受热，强化表面化学反应，提高vocs处理效果。


技术实现要素：

7.针对上述问题，本实用新型提供了一种提高微波强化催化降解vocs的设备，具有实现微波谐振腔体内的电场均匀分布，使催化剂均匀加热，提高vocs处理效果的优点。
8.本实用新型的技术方案是：
9.一种提高微波强化催化降解vocs的设备，包括：
10.微波谐振腔体，所述微波谐振腔体的顶部设置有微波馈口，所述微波馈口用于向所述微波谐振腔体内发射微波；
11.填充有vocs催化剂的管道，所述管道设置于所述微波谐振腔体内且一端口为vocs气体的进气端，另一端为vocs气体的出气端；以及
12.搅拌组件，所述搅拌组件设置于所述微波谐振腔体内且与所述微波馈口相邻。
13.可选地，所述搅拌组件包括电机和搅拌部，所述电机的输出轴连接所述搅拌部，所述电机远离所述搅拌部的一端固定设置在所述微波谐振腔体的顶部上。
14.可选地，所述管道为石英管且呈蛇形状。
15.可选地，所述搅拌组件的数量和所述微波馈口的数量为一对一的对应关系，或一对多的对应关系，或多对多的对应关系。
16.可选地，所述搅拌组件和所述微波谐振腔体均为金属结构。
17.可选地，所述进气端和所述出气端分别套设有截止波导或金属屏蔽网。
18.可选地，所述截止波导或所述金属屏蔽网通过连接法兰固定在所述进气端和所述出气端上。
19.与现有技术相比，本技术包括以下优点：
20.本技术所提供的设备包括微波谐振腔体，填充有vocs催化剂的管道以及搅拌组件，其中，微波谐振腔体的顶部设置有微波馈口，所述微波馈口用于向所述微波谐振腔体内发射微波，填充有vocs催化剂的管道设置在微波谐振腔体内，且该管道的一端口为vocs气体的进气端，另一端为vocs气体的出气端，搅拌组件设置在所述微波谐振腔体内且与所述微波馈口相邻。一方面，vocs气体进入微波谐振腔体通过该管道，管内的vocs催化剂被微波加热到活性温度，对vocs气体进行处理。另一方面，通过搅拌组件可对微波谐振腔体内的微波进行搅拌，从而使微波谐振腔体内的电场分布均匀，最后使管道内的催化剂被均匀加热到活性温度，避免了过热或低热导致的催化剂活性下降。提高了微波辅助催化氧化处理vocs的效率。
附图说明
21.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对本技术的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1是本实用新型一实施例所述一种提高微波强化催化降解vocs的设备的整体结构示意图；
23.图2是本实用新型又一实施例所述一种提高微波强化催化降解vocs的设备的俯视图；
24.图3是本实用新型一实施例所述金属屏蔽网的侧视图；
25.图4是本实用新型又一实施例所述金属屏蔽网的侧视图。
26.附图标记说明：
27.1、微波谐振腔体；2、微波馈口；3、磁控管；4、管道；5、进气端；6、出气端；7、搅拌组件；8、金属屏蔽蜂窝网；9、金属屏蔽网格网；10、连接法兰。
具体实施方式
28.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施
例，都属于本技术保护的范围。
29.参照图1所示，图1示出了本实用新型的一种提高微波强化催化降解vocs的设备的整体结构示意图。如图1所示，本技术的一种提高微波强化催化降解vocs的设备，包括：微波谐振腔体1，填充有vocs催化剂的管道4和搅拌组件7。其中在微波谐振腔体1的顶部设置有微波馈口2，微波馈口2用于向微波谐振腔体1内发射微波；管道4设置于微波谐振腔体1内且一端口为vocs气体的进气端5，另一端为vocs气体的出气端6；搅拌组件7设置于微波谐振腔体1内且与微波馈口2相邻。
30.其中微波谐振腔体1为顶部开有微波馈口2的方形腔体，微波馈口2的上方设置磁控管3，磁控管3通过该微波馈口2向微波谐振腔体1内馈入微波。微波馈口2可为长方孔状、圆形状或其他形状。
31.填充有vocs催化剂的管道4放置vocs催化剂，vocs催化剂可采用金属氧化物、贵金属或者多种金属复合而成的复合金属氧化物，管道4可避免不同类型的催化剂在长时间净化vocs气体过程腐蚀微波谐振腔体1，延长设备的使用寿命。优选地，管道4贯穿微波谐振腔体1，且管道4的两端靠近微波谐振腔体1对应的两端面，vocs气体直接从管道4的两端流通，设备的外形也较美观。
32.搅拌组件7可对电磁波进行搅拌，使得微波谐振腔体1内的电磁波分布均匀，从而给到催化剂均匀的活化温度。其中，搅拌组件7可为通用的模式搅拌设置，根据vocs气体的处理规模匹配合适的模型及尺寸。
33.上述技术方案的工作原理如下：
34.微波是指波长在0.01m-1m，频率大约在300mhz-300gmz范围内的电磁波。其产生的电磁场可使极性分子产生高速旋转进而产生热效应，同时改变体系的热力学参数，降低反应的活化能等。
35.vocs催化剂在微波加热下，在其活性温度将vocs分解为co2和h2o，对于多相反应，化学反应发生在催化剂表面，同时微波与催化剂相互作用也是发生在催化剂表面，因此微波会强化表面化学反应。催化剂活性是处理vocs技术中的决定性因素，而影响催化剂活性的主要因素是温度。而在多相反应中，微波反应腔内的电场分布不均匀，导致催化剂温度过高，引起催化剂碳化；温度过低，处理vocs效率慢且差；过高过低均可导致催化剂失活。
36.磁控管3通过一段喇叭波导或者矩形波导将微波馈入微波谐振腔体1。
37.本实用新型通过微波辅助催化氧化vocs可保证对催化剂的高效快速的加热，搅拌组件7对微波谐振腔体1内的电磁波进行搅拌，催化剂在均匀的微波场中被加热到活性温度，以及在微波作用下，会产生更多的活性位点，进而提高微波强化降解vocs。
38.在另外一个实施例中，搅拌组件7包括电机和搅拌部，电机的输出轴连接搅拌部，电机远离搅拌部的一端固定设置在微波谐振腔体1的顶部上。本实施方式中，微波谐振腔体1的顶壁上可设置螺栓，电机通过螺栓固定连接在微波谐振腔体1的顶壁上。电机的输出轴与旋转部焊接。当需要对微波谐振腔体1内的电场进行搅拌时，便可以启动电机，在电机开始工作时，电机带动旋转部开始旋转，从而旋转部对微波谐振腔体1内的电磁波进行搅拌，使得微波谐振腔体1内的电磁波分布均匀，从而提高微波谐振腔体1内电场的均匀度，催化剂被均匀的加热到活性温度。
39.具体地，搅拌部由至少一个搅拌叶片组成，搅拌叶片的形状可为月牙状或者不规
则半圆形状的变形；或者，搅拌部可设置为螺旋延伸的结构。
40.参照图2所示，图2示出了本实用新型的一种提高微波强化催化降解vocs的设备的俯视图。进一步地，管道4为石英管且呈蛇形状。蛇形状的管道可增大vocs催化剂与微波的接触面积。石英管管道4可避免vocs催化剂在于vocs气体反应过程中腐蚀管道4，延长设备的使用寿命。
41.当然地，本实用新型的管道4采用如图1所示的圆柱状也具有良好的vocs处理效果。
42.更进一步地，搅拌组件7和微波谐振腔体1均为金属结构。优选地，搅拌组件7和微波谐振腔体1均为不吸收微波的金属材料制成，更优选地，搅拌组件7采用不锈钢216l，微波谐振腔体1采用铝制品，采用此结构可反射电磁波。
43.在另外一个实施例中，搅拌组件7的数量和微波馈口2的数量为一对一的对应关系，或一对多的对应关系，或多对多的对应关系。本实用新型提供的设备，在相同的构思下，可进行多种变化，可应用于大型处理设备或大型应用场景。
44.在另外一个实施例中，进气端5和出气端6分别套设有截止波导或金属屏蔽网。截止波导是一种具有高通滤波器特性的管状金属结构，其允许截止频率以上的信号通过，而截止频率以下的信号则被阻止或衰减。
45.利用此特性，可以使vocs气体通过且防止微波谐振腔体1内的微波泄露。截止波导为电磁屏蔽领域内的常用部件，原理及结构不再赘述。参照图3和图4所示，图3是本实用新型一实施例金属屏蔽网的侧视图；图4是本实用新型又一实施例金属屏蔽网的侧视图。同时，金属屏蔽网也具有同样的效果，可采用不同材质的金属，其来源广泛，成本低。可选地，金属屏蔽网的可采用金属屏蔽蜂窝网8和金属屏蔽网格网9等。
46.本实用新型通过连接法兰10将截止波导和金属屏蔽网固定在进气端5和出气端6上。
47.为了证明本实用新型提供的一种提高微波强化催化降解vocs的设备具有更均匀的电场，进而使得vocs处理效果更优，将本实用新型提供的设备进行试验测试：
48.测试过程及结果：
49.将本实用新型通过添加了搅拌组件7的微波谐振腔体1作为实验例和未添加搅拌组件7的微波谐振腔体1作为对比例进行对比，其余设置均保持相同。
50.通过comsol multiphysics(多物理仿真软件)对实验例和对比例进行数值仿真对比，同时利用comsol求取其对应的电场cov值(coefficient of variation，变异系数)。
51.需要说明的是：comsol作为仿真软件，涵盖建模工作流程中的所有步骤：定义几何结构、材料属性、描述特定现象的物理场，用于求解模型和对结果进行后处理，从而提供准确可靠的分析结果。
52.其中cov值代表电场的均匀度。在0-1之间，值越大表示待电场越不均匀。得出实施例的cov值为0.304，对比例的cov值为0.76。
53.本实用新型通过comsol对实施例和对比例建模后，通过comsol软件即可得出微波谐振腔体1内的电场分布情况，得到微波谐振腔体1内的每个单位内的电场，再通过软件得到电场的总平均值，带入以下公式，即得到实施例和对比例的cov值。
[0054][0055]
其中，ej代表每个网格的电场；代表电场的总平均值，n代表网格数，e0默认为0。
[0056]
因此，本实用新型提供的一种提高微波强化催化降解vocs的设备，具有实现微波谐振腔体内的电场均匀分布，使催化剂均匀加热，提高vocs处理效果的优点。
[0057]
应当理解地，本技术说明书尽管已描述了本技术实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术实施例范围的所有变更和修改。
[0058]
以上对本技术所提供的一种提高微波强化催化降解vocs的设备，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。