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UV光氧设备的原理介绍
来源:仁信源环保 | 作者:仁信源环保仁信源环保 | 发布时间 :2019-08-30 | 234 次浏览: | 分享到:
UV光氧设备一般外

UV光氧设备简介
UV光氧设备是在废气处理中是非常常见的设备。UV即是紫外线的简称,我们在日常谈论中经常将“UV”作为UV光氧设备的简称,但这里存在一个误区,在UV设备中,还有一种设备叫做UV光解设备。两者均可用来处理污染物,但又有很大的区别。简单的说:
  • UV光解设备:利用了高能紫外线的能量进行光化学反应,通过光解来处理污染物。
  • UV光氧设备:除了紫外线光解污染物,还有一个重要的光催化反应来处理污染物。
通过对比不难看出,UV光氧是一种更为先进、效率更高的处理设备,而其中的光催化反应需要紫外线照射半导体(使用最为广泛的半导体是二氧化钛TiO2),废气通过二氧化钛栅格,污染物被氧化分解。

二氧化钛格栅板
由于原理的不同,UV光氧设备和UV光解设备在结构上就有很大的不同,导致UV光氧更贵。如果您在选购UV光氧设备时发现某家提供的UV光氧设备特别便宜,那么就要注意了,确认其是否是UV光解设备一定要询问是否加装了二氧化钛栅格,有几层

UV光氧设备处理原理

1.光解原理

物质在紫外线照射下吸收光线当中携带的能量成激发态,从而发生一系列光化学反应,最终变成无害的低分子化合物。

根据光化学第一定律,首先,只有当激发态分子的能量足够使分子内的化学键断裂时,亦即光子的能量大于化学键能时,才能引起光离解反应。其次,为使分子产生有效的光化学反应,光还必须被所作用的分子吸收,即分子对某种特定波长的光要有特征吸收光谱,才能产生光化学反应

因此并非所有的物质都能发生光离解反应,主要和光子能量大小与各物质自化学键断裂所需要的能量有关。(附光子能量公式:
E=hv=hc/λ,h是普朗克常数 、v是频率、c是光速、λ是波长。)
下面提供一份波长能量对照表,与常见污染物光解表。



由于紫外线波对人体有害,越短的紫外线波穿透力越强,对人身的危害也越大,在实际的生产与使用中用的最多的是波长254nm的紫外线U形灯管,其摩尔光子能量为470KJ/mol,由上表可以看出,在我们常见的voc气体中,能被光解的物质并不多,所以在选择UV光解设备的时候,一定要弄清楚自己的废气中主要成分是什么。

另外,物质被照射的时间越长,光解的效果越好,所以在消毒柜中利用紫外线灯消灭细菌有非常好的效果,然而在我们废气处理当中,由于气体始终是处于流动状态,所以效率受到气体在设备中的停留时间的影响。停留时间=设备长度/风速,风速=风量/气体流动方向设备横截面积。由此我们可以得出设备长度越长,横截面越大,停留时间就越长,效果也越好。设备增大固然对处理效果越好,但是设备成本也是我们需要重点考虑的问题,在行业经验中,我们一般把风速设置到0.7m/s,停留时间设置到3s,这样的性价比是最高的,根据处理污染物的成分不同,处理效率可以达到15%-35%

2.光催化原理

1972Honda-Fujishima效应即TiO2半导体电极的光催化分解水现象发现以来,半导体光催化领域得到了广泛的关注和飞速的发展,这一技术为我们提供了一种理想的能源利用和治理环境污染的方法。

光催化技术是通过催化剂利用光子能量,将许多需要在苛刻条件下发生的化学反应转化为在温和的环境下进行反应的先进技术。它作为一门新兴的学科,涉及半导体物理、光电化学、催化化学、材料科学、纳米技术等诸多领域,在能源、环境、健康等人类面临的重大问题方面均有应用前景,一直是前沿科学技术领域的研究热点之一。

其主要原理是:
让紫外光或其他一定能量的光照射光敏半导体催化剂时(常用光敏半导体催化剂二氧化钛TiO2),当能量大于或等于半导体带隙能的光波()辐射TiO2时,TiO2价带(VB)上的电子吸收光能()后被激发到导带(CB)上,使导带上产生激发态电子(e-),而在价带(VB)上产生带正电荷的空穴(h+)。此时吸附在纳米颗粒表面的溶解氧俘获电子形成超氧负离子,而空穴将吸附在催化剂表面的氢氧根离子和水氧化成氢氧自由基。而超氧负离子和氢氧自由基具有很强的氧化性,能使有机污染物氧化分解,如果保证足够的停留时间,理论上可以达到近乎完全的处理效果


跳过中间复杂的物理化学反应,简单的说:紫外线照射二氧化钛会将将空气中的水和氧气,氧化还原成具有很强氧化性的超氧负离子和氢氧自由基,从而氧化污染物达到分解处理的作用。越多的超氧负离子与氢氧自由基,就有越强的分解有机废物的能力,不过就目前的光催化技术而言,还处于一个探索的阶段,还存在光量子产生量低,光能利用效率低等问题。虽然目前已经有了改性TiO2、新的非TiO2催化剂、加微波电场等方法,但是由于提升有限或是成本太高,并没有被广泛应用,现在市面上广泛使用的还是传统的TiO2作为催化剂。不过光催化有着非常广大的应用的前景,相信将来一定会有更加实用的技术产生。

回来我们的话题上来,由于技术限制以及成本的考虑,目前的UV光氧设备对有机污染物的分解效率普遍在30%-60%之间。不过近年来环保行业的热门,市场上涌现了大量的UV光氧设备厂家,生产出的UV设备,质量参差不齐,为了低价拿下订单,大量劣质产品充斥市场,在选用UV的时候一定要擦亮眼睛。达不到处理效果,白花钱都是小问题,由于UV经常用于易燃废气的处理,灯管属于高发热元件,线路又是带电的,发生燃烧的事故并不鲜见,如果引发的恶性事故,那才真的是悔时晚矣。

关于常规UV光氧设备的挑选方法

一、尺寸看尺寸的大小是最简单的方法,一般情况下,尺寸越大的UV,停留时间越长,处理效果就越好喜欢计算的朋友,可以用我们行业普遍的设计标准3s的停留时间来计算一下尺寸,风速也不宜取太快,应该在0.5-1m/s之间最好。举个例子:我需要处理的废气风量是20000m³/h,把小时换算成秒,除以3600之后得到约5.56m³/s的处理风量;风速我们折中取0.7m/s,那么设备截面积=每秒风量/每秒风速=5.56/0.7≈8㎡,那么宽与高的乘积就应该大于等于8㎡,才是比较合理的尺寸;同时长度=停留时间/风速=3/0.7=4.3m。得到截面8㎡和长度4.3m这两个标准设计的参数之后,我们就可以来对比厂家提供的UV设备了。三种情况:
厂家提供的设备截面和长度均大于标准设计,自然没有在设计上偷工。
厂家提供的设备截面和长度均小于标准设计,那么肯定在设计上有所偷工,小太多的,超过30%就不要选择了,处理效率肯定不达标。
厂家提供的设备截面和长度一大一小,这就要看比例,如果面积缩小了百分之10,那么长度就要增加百分之10,这样才能保证停留时间足够。

二、灯管数量,灯管数量不是越多就越好,到达某一阈值之后,再增加灯管数量对效率的提升非常小,性价比太低,当然前提是达到阈值,如果数量太少,那么净化的效率也会非常低。这里用10000风量来举个例子,灯管数量应该在24-36套之间,那么相对应的估算其他风量,20000风量灯管数量应该在48-72套之间,5000风量灯管数量应该在12-18套之间。注意:这里的例子所用灯管是150W,波长254nm的U型紫外线灯。灯管数量的选择与污染物浓度和其本身性质有关系,所以会有高低变化,这些数值是经过验证的行业经验,数量多于标准性价比低,数量少于标准效率低

三、板材材质和厚度,较好的材质是不锈钢,耐腐蚀,但价格高昂;比较常见的材质是碳钢,虽不如不锈钢耐腐蚀,但是价格便宜,做好防腐处理,同样经久耐用。除此之外的非金属材料就不要选择了。因为高能紫外线光波对人体有很大的危害,非金属材料例如塑料是没有办法屏蔽光波的。例如X光就是一种非常短的光波,对人的身体危害非常大,家用微波炉一般波长是120nm,我们UV设备常用的紫外线波长254nm。波长越短,穿透力越强,所以UV设备一般都采用金属材质来制作,以便屏蔽光波,同时厚度越厚,屏蔽效果越强,所以在行业中一般钢板厚度都是在3mm以上,低于3mm厚度的UV设备,谨慎选择。

四、生产工艺原料质量,其实这一条都不应该单独提出来,都知道选择规模大,生产实力强的厂家才放心,但是小厂并非质量都不好,有时候从成本考虑选择小型加工厂也是非常常见的。由于UV经常处理的都是易燃的有机气体,工艺质量的考量必须要谨慎。焊接工艺这一块没有实际见到设备没法判断好坏,但是灯管这一块可以详细询问其所用的灯管出自哪家公司,灯管这一块的价格猫腻就多了,一套灯管含控制器便宜的有30几块钱的,贵的有90多一套的,一台72套灯管的UV设备,差价就可以差4000多元。作为UV设备最重要的部件,详细询问所用灯管品牌,然后去调查此品牌厂家规模实力,是非常必要的。同理的还有TiO2滤网,生产厂家一般也是外购,调查品牌也是必要的。


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参考资料:
光催化:环境净化与绿色能源应用探索    朱永法、姚文清、宗瑞隆
二氧化钛催化活性    苗慧、崔玉民、张坤
纳米TiO2表面改性及光催化降解典型有毒污染物研究    王楠、朱丽华、
废气处理技术工程手册    王纯

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