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造纸污染气体光催化净化及其自动监控系统

张镇槟  
【摘要】:目前,造纸工业“三废”问题的关注重点仍然是废水及废渣的研究,废气的研究与处理往往被研究学者和大众所忽略,而这一现状将制约造纸行业的良性持续发展。制浆造纸过程中会产生多种污染性气体,如苯、甲苯、二氧化硫、硫化氢等对人体有害的毒性气体,其中一些污染气体的危险程度甚至在水污染之上。本文从研究分析造纸工业污染气体出发,通过活性炭吸附/二氯甲烷解吸-GC-MS分析法和乙酰丙酮分光光度法对广州某造纸厂的环境气体进行采样分析研究,并设计制造了一套针对造纸污染气体的光催化氧化净化装置及其自动监控系统,意于解决造纸工业存在的气态污染物问题。同时,对该净化装置进行工艺参数优化实验及在最优条件下的降解性能测试,进一步比较净化系统处理不同污染负荷和不同污染物种类时的降解性能差异。首先,为确定所采集气体样品成分,采用活性炭吸附/二氯甲烷解吸-GC-MS分析法和乙酰丙酮分光光度法,对采样厂区的4个采样点(工厂办公区、真空泵出气口、造纸车间、废纸分拣处)进行分析检测。结果表明:4个采样点均检测出结构复杂的苯系物;4个采样点的甲醛含量均超过GB/T 18883-2002《室内空气质量标准》中规定的限值0.10mg/m3,其中真空泵出气口的甲醛含量为0.17mg/m3,超标1.7倍。随后,本文设计研制了采用光催化氧化技术的净化装置,该装置以纳米二氧化钛作为催化介质,以253.7nm波长的紫外光为照射光源,采用3段连续光催化氧化处理结构。同时,设前置双层过滤介质用于去除空气中的固体颗粒物,以边长为2mm的蜂窝型铝网作为纳米二氧化钛的载体,提高蜂窝型铝网对污染气体的吸附及降解效果。另外,研制了配合光催化氧化装置的自动监控系统。以微控制器STM32F103RBT6为核心,采用EC803-CH2O甲醛模块检测空气中的甲醛气体浓度,数字温湿度传感器DHT11检测环境温度和湿度,根据污染负荷的大小自动调整风机转速及紫外灯的强弱,实现对造纸污染气体光催化氧化处理的自动监控及实时显示。最后,本文以甲醛作为目标污染物,探索光催化净化装置的最优工艺参数,发现:净化装置的风速、光催化构件数和光触媒网几何尺寸的最优值分别为97.2m3/h、3个和2mm。随后以探索的运行参数最优值为基础,对比净化装置在不同污染负荷和不同污染物下降解性能差异及其反应动力学,研究发现:净化装置对甲醛和苯的降解率均为100%,完全降解1.25ppm浓度的甲醛和苯所需的时间分别是45分钟和165分钟。其中甲醛的光催化氧化降解反应为一级动力学反应,然而苯的光催化氧化速率随着初始浓度的升高而降低,其主要原因是苯光催化氧化过程的中间产物的竞争吸附导致反应速率下降。


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