Способ очистки воздуха от токсичных компонентов выхлопных и отходящих газов

 

Изобретение относится к сорбционно-каталитической очистке воздуха от загрязняющих веществ и может быть использовано для систем очистки от токсичных компонентов выхлопных газов и отходящих производственных вентиляционных выбросов. Способ очистки воздуха от токсичных компонентов выхлопных и отходящих газов включает пропускание воздушного потока последовательно через механический фильтр для удаления твердых частиц и аэрозолей, устройство нагрева воздуха до температуры, превышающей температуру окружающего воздуха на величину ΔТ= 5-30^oС, слой сорбента, поглощающего углеводороды и другие органические соединения, слой пористого полимерного сорбента, содержащего в порах простой полиэфир для адсорбции металлов, и слой окислительно-восстановительного катализатора на основе окислов марганца и меди для очистки воздуха от токсичных компонентов выхлопных газов. Предложенный способ позволяет достигнуть десятикратного снижения концентрации вредных компонентов выхлопных газов (СО, окислы азота и др.) и снизить концентрацию тяжелых металлов в вентиляционных производственных выбросах до величин ПДК и ниже. 4 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к сорбционно-каталитической очистке воздуха от загрязняющих веществ и может быть использовано для систем очистки от токсичных компонентов выхлопных газов выбрасываемой в атмосферу вентиляционной вытяжки из многоэтажных, наземных и подземных гаражей-стоянок закрытого типа, станций техобслуживания, автодорожных тоннелей, складских помещений и терминалов с заездом внутрь автомобильного транспорта, а также для систем очистки вентиляционных выбросов из производственных помещений различного профиля, в том числе образующихся при проведении сварочных работ в помещениях гаражного типа, станциях техобслуживания и т. п. Изобретение может быть использовано и для очистки приточной вентиляции помещений в случае забора воздуха в местах его высокого загрязнения токсичными веществами выхлопных и отходящих производственных газов.

Основными загрязняющими веществами, поступающими из двигателей внутреннего сгорания в вентиляционную вытяжку, концентрация которых существенно превышает ПДК, являются окись углерода СО, оксиды азота NO_x, углеводороды СН_х и другие органические соединения, сернистый ангидрид SO₂, а также аэрозоли и частицы сажи и пыли.

Из металлов, поступающих в атмосферу помещений, в которых производятся сварочные работы, в первую очередь следует упомянуть переходные металлы, использующиеся в качестве легирующих добавок в сталь: Ni, Cr, Mo, W, V, Fe, Co, Мn, Сu, Ti. Кроме того, в атмосферу производственных помещений различного профиля могут поступать соединения Sb, Al, Bi, Hg, Pb, Tl, Cd, Mg, As. Существенной особенностью процесса вентиляции таких помещений является высокая скорость откачки из них воздуха. Согласно Московским государственным санитарным нормам 05.01-94 для помещений гаражного типа эта скорость должна быть не ниже 150 м³/час в пересчете на одно машино-место. Аналогичные скорости откачки характерны и для производственных помещений.

Известны способы очистки отходящих газов различных производств. Например, известен способ очистки воздуха от токсичных компонентов, образующихся при плазменной обработке материалов: оксидов азота, окиси углерода, фторидов серы и др. (RU 2035976 С1, кл. В 01 D 53/02, 1995). Способ предусматривает адсорбцию вредных веществ набором специальных сорбентов в определенной последовательности. Используемый в данном способе сложный комплекс сорбционных материалов позволяет достаточно эффективно очищать отходящие газы указанного производства, однако способ не пригоден для очистки воздуха от вышеупомянутых металлов, так как они не адсорбируются на применяемых сорбентах.

Известен способ очистки воздуха рабочего помещения, где проводятся электротехнические работы, от примесей свинца, олова и канифоли (RU 2112587 С1, кл. В 01 D 53/02, B 01 J 20/00, 1998) путем пропускания воздуха через серосодержащие минералы в смеси с активированным углем. Данный известный способ не пригоден для очистки воздуха от окислов азота и окиси углерода.

Широко известен способ очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания путем глубокого каталитического окисления окиси углерода и углеводородов с их превращением в углекислый газ и воду, а также способ каталитического восстановления окислов азота до азота на базе проведения реакций на поверхности катализаторов. Аналогичный способ применяется для очистки отходящих газов различных производств и ТЭЦ. Разработанные на основе этого способа нейтрализаторы выхлопных газов устанавливаются в настоящее время практически на всех зарубежных автомобилях и на автомобилях некоторых отечественных марок. Соответствующие устройства очистки отходящих газов широко используются для оборудования промышленных установок. Все эти способы и устройства предполагают протекание каталитических реакций при высоких температурах (350-400^oС) и, как правило, с использованием дорогостоящих катализаторов на основе благородных металлов (платина, родий, палладий). Однако необходимость проведения реакций при высоких температурах делает невозможным применение указанных каталитических систем для очистки огромных воздушных вентиляционных потоков (до 100000 м³/час) по соображениям экономии энергии. Для нагрева такого потока до указанных выше температур требуется мощность около 6000 кВт. Кроме того, данный способ не предусматривает очистку от различных металлов, упомянутых выше.

Наиболее близким к предлагаемому способу очистки воздуха от токсичных компонентов (прототипом) является способ очистки воздуха, описанный в патенте (RU, патент 2172641 С1, кл. В 01 D 53/02, 53/04, 53/86, 35/01, 2001). Способ очистки воздуха от токсичных компонентов, описанный в прототипе, заключается в его пропускании через слой сорбента, поглощающего углеводороды и другие органические соединения, а затем через слой окислительно-восстановительного катализатора на основе окислов марганца и меди, в котором перед пропусканием воздуха через слои сорбента и катализатора его отфильтровывают от твердых частиц и крупнодисперсных аэрозолей, а затем нагревают до температуры, превышающей температуру окружающего воздуха на величину ΔТ, равную 5-30^oС.

Слоя сорбента и катализатора помещены в фильтрующий модуль, в котором они отделены друг от друга инертным разделительным слоем. Слой сорбента может быть выполнен из активированного угля. Слой катализатора может быть изготовлен из гопкалита. Описанный в прототипе фильтрующий модуль дополнительно содержит блок принудительного нагревания очищаемого воздуха.

Используемый в прототипе катализатор резко снижает каталитическую активность под воздействием адсорбируемой на его поверхности воды (см., например, Беркман С., Морелл Д. и Эглофф Г., Катализ в неорганической и органической химии, пер. с англ., кн. 1-2, М.-Л., 1949). В прототипе отравление катализатора водяными парами предотвращается небольшим повышением температуры очищаемого воздуха относительно температуры воздуха окружающей среды (ΔТ= 5-30^oС), что приводит к относительному смещению адсорбционно-десорбционного равновесия на поверхности катализатора и существенно предотвращает конденсацию на нем водяных паров.

Известный способ (прототип) обеспечивает высокую производительность процесса очистки воздуха от токсичных компонентов выхлопных газов при его высокой эффективности и позволяет избежать частой замены катализатора.

Вместе с тем, главным недостатком прототипа является его неспособность очищать воздушные вентиляционные потоки от ряда металлов, концентрация которых резко возрастает, как при проведении сварочных работ, так и при движении автотранспорта по влажным автодорожным туннелям.

Задачей изобретения является разработка способа очистки воздуха от токсичных компонентов выхлопных и отходящих газов, который при сохранении всех положительных качеств, присущих прототипу, позволит наряду с очисткой вентиляционных выбросов от токсичных компонентов выхлопных газов (окиси углерода, окислов азота, углеводородов и т.д.) осуществлять также и очистку от упомянутых выше металлов.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемым способом очистки воздуха от токсичных компонентов выхлопных и отходящих газов, включающим его пропускание последовательно через механический фильтр для удаления твердых частиц и аэрозолей, устройство нагрева воздуха до температуры, превышающей температуру окружающего воздуха на величину ΔТ=5-30^oС, слой сорбента, поглощающего углеводороды и другие органические соединения, и слой окислительно-восстановительного катализатора на основе окислов марганца и меди, в котором между слоем сорбента, поглощающего углеводороды и другие органические соединения, и слоем катализатора помещают слой пористого полимерного сорбента, изготовленного из сополимера стирола и дивинилбензола, в порах которого расположен простой полиэфир.

В качестве сорбента, поглощающего углеводороды и другие органические соединения, можно использовать активированный уголь.

В качестве катализатора можно использовать гопкалит.

Простой полиэфир можно выбрать из ряда: полиэтиленгликоли, полные и неполные простые эфиры полиэтиленгликолей, краун-эфиры.

Слои сорбентов и катализатора можно поместить в фильтрующий модуль.

Главным отличием предлагаемого способа от известного (прототипа) является добавление операции пропускания воздуха через слой специального пористого полимерного сорбента, в результате чего возникает возможность очистки воздушного вентиляционного потока не только от вредных веществ выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, но и от металлов, практически всегда присутствующих в вентиляционных выбросах из помещений, где находятся автомобили и/или проводятся ремонтные (сварочные) работы, а также из автодорожных туннелей.

Пористый полимерный сорбент, используемый в предлагаемом способе, до настоящего времени применялся для осушки газов (см., например, RU 2146558 C1, кл. В 01 J 20/22, 20/26, 2000). Следует отметить, что данное свойство сорбента также полезно и в предлагаемом способе, так как осушка на нем воздуха, поступающего затем на окислительно-восстановительный катализатор, особенно в первые минуты действия очистительной системы, когда требуется время для ее полного прогрева, благоприятным образом сказывается на работе катализатора, чувствительного к парам воды. Но главная причина выбора данного сорбента заключается в следующем. Известно, что линейные и циклические простые полиэфиры способны к комплексообразованию с ионами различных металлов (см., например, Крон Т. Е., Цветков Е.Н.// Успехи химии, 1990, Т. 59, Вып. 3, С. 483-506; Хираока М. Краун-соединения. Пер. с англ. М.: Мир, 1986). Здесь нужно подчеркнуть, что подбор условий для эффективного связывания металла простым полиэфиром всегда является сложной исследовательской задачей.

В используемом в предлагаемом способе сорбенте полиэфир расположен внутри пор полимерного носителя и заранее предсказать, способны ли ионы металлов проникнуть в его поры, чтобы затем образовать координационную связь с молекулами полиэфира, невозможно. К тому же, сорбент в предлагаемом способе должен работать в строго определенных условиях, а именно очищать от металлов проходящий через него воздушный вентиляционный поток.

Проведенные нами экспериментальные исследования показали, что данный сорбент может быть использован для очистки воздушных вентиляционных потоков от указанных выше металлов: после пропускания воздуха, загрязненного металлами в концентрации ~10 ПДК при штатных линейных скоростях газопотока ~10 м/сек их концентрация падала на порядок и более, например для свинца концентрация снижалась до 0,0007 мг/м³.

Полученные нами результаты исследований позволяют предположить следующий механизм адсорбции металлов данным сорбентом. Гидратированные ионы металлов, находящиеся в воздушном вентиляционном потоке, увлекаются окружающими их молекулами воды в поры сорбента, где затем прочно связываются с молекулами полиэфира. Дальнейшие исследования показали, что при регенерации сорбента нагреванием до 80-90^oС происходит десорбция только молекул воды, ионы металлов при этом не десорбируются. При необходимости может быть достигнута полная регенерация сорбента путем извлечения ионов металлов, например, кислыми водными растворами.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Поступающий в систему очистки воздух предварительно очищают на механическом фильтре, улавливающем твердые частицы и крупнодисперсные аэрозоли, а затем пропускают последовательно через сорбент, поглощающий углеводороды и другие органические соединения (сорбент 1), сорбент, улавливающий металлы (сорбент 2), и катализатор. Очищаемый воздух нагревают на ΔТ=5-30^oС выше температуры окружающего воздуха с целью смещения адсорбционно-десорбционного равновесия (для воды) в сторону ее десорбции, что предотвращает отравление катализатора парами воды.

Предлагаемый способ обеспечивает высокую эффективность очистки воздуха: достигается десятикратное снижение концентрации вредных компонентов выхлопных газов (окиси углерода, окислов азота, углеводородов и др.), то есть до величин ниже ПДК, и уменьшение концентрации металлов в вентиляционных выбросах также до величин ПДК и ниже.

Формула изобретения

1. Способ очистки воздуха от токсичных компонентов выхлопных и отходящих газов, включающий его пропускание последовательно через механический фильтр для удаления твердых частиц и аэрозолей, устройство нагрева воздуха до температуры, превышающей температуру окружающего воздуха на величину ΔТ=5-30^oС, слой сорбента, поглощающего углеводороды и другие органические соединения, и слой окислительно-восстановительного катализатора на основе окислов марганца и меди, отличающийся тем, что между слоем сорбента, поглощающего углеводороды и другие органические соединения, и слоем катализатора помещают слой пористого полимерного сорбента, изготовленного из сополимера стирола и дивинилбензола, в порах которого расположен простой полиэфир.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве сорбента, поглощающего углеводороды и другие органические соединения, используют активированный уголь.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве катализатора используют гопкалит.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что простой полиэфир выбирают из ряда: полиэтиленгликоли, полные и неполные простые эфиры полиэтиленгликолей, краун-эфиры.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что слои сорбентов и катализатора помещают в фильтрующий модуль.