專利名稱：用于處理PFCs的物理和化學(xué)協(xié)同凈化系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種廢氣的物理和化學(xué)協(xié)同凈化系統(tǒng)，尤其涉及一種用于處理 PFCs的物理和化學(xué)協(xié)同凈化系統(tǒng)。同時，本發(fā)明還涉及廢氣的物理和化學(xué)協(xié)同 凈化方法，尤其涉及一種用于處理PFCs的物理和化學(xué)協(xié)同凈化方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代工業(yè)的蓬勃發(fā)展，溫室氣體排放量與日倶增。在眾多溫室氣體中， 全氟碳化物(簡稱PFCs)因其具有低毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，自二十世紀(jì)三 十年代被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，尤其是半導(dǎo)體制造業(yè)。然而，PFCs在大氣中具 有較長的存在年限和強(qiáng)烈的紅外吸收能力，生產(chǎn)過程中未能完全利用的高濃度 PFCs直接排放到大氣中將引起強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)，使全球平均溫度上升，海平面 升高，氣候異常，影響人類生產(chǎn)和活動。因此，1987年的《蒙特利爾公約》制 定了破壞臭氧層的化學(xué)物質(zhì)控制措施。1997年12月，在日本京都召開的《聯(lián)合 國氣候變化框架公約》締約方第三次會議通過了旨在限制發(fā)達(dá)國家溫室氣體排 放量以抑制全球變暖的《京都議定書》，PFCs被列為需要嚴(yán)格控制的溫室氣體， 截至2005年8月13日，全球已有142個國家和地區(qū)簽署該議定書，其中包括 30個工業(yè)化國家，批準(zhǔn)國家的人口數(shù)量占全世界總?cè)丝诘?0%。中國已于1998 年5月簽署并于2002年8月核準(zhǔn)了該議定書，成為第37個簽約國。控制PFCs 的排放在過去的三十年間在全球范圍內(nèi)引起強(qiáng)烈的關(guān)注，近幾年來，隨著我國 半導(dǎo)體工業(yè)的快速發(fā)展，PFCs排放量逐年增加。國內(nèi)相關(guān)資料顯示，我國在PFCs 削減技術(shù)研究方面尚未起步，這將制約我國半導(dǎo)體工業(yè)以及與PFCs排放相關(guān)工 業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，開展削減PFCs排放的相關(guān)工作符合我國的環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā) 展戰(zhàn)略。
目前對于削減PFCs排放主要有四個途徑1)選擇可以替代PFCs的新的化學(xué)
物質(zhì)；2)生產(chǎn)工藝優(yōu)化；3)對PFCs循環(huán)再利用；4)對排放的PFCs氣體進(jìn)行末
端治理。雖然前三個措施更加符合清潔生產(chǎn)的原則，但是因?yàn)楫a(chǎn)生PFCs工業(yè)的 工藝現(xiàn)狀和經(jīng)濟(jì)成本等條件制約，末端治理脫除PFCs氣體成為目前比較行之有 效的方法。對于PFCs氣體的末端治理去除，國外目前有很多工藝，包括燃燒方法，熱 催化氧化方法，等離子體分解方法等。燃燒工藝是向燃燒爐內(nèi)加入天然氣或氫
氣作為燃料，可以去除90。/。以上的C2F6， NFg和SF6，但是對于CF4的去除卻很少， 其主要是因?yàn)镃F4性質(zhì)更穩(wěn)定，不易被去除。燃料的加入使處理成本增加，另外 對于副產(chǎn)物，例如HF的收集處理也存在困難，而且燃燒會產(chǎn)生NOx和燃料不完 全燃燒產(chǎn)物，這些物質(zhì)會形成二次污染。熱催化氧化工藝將熱分解和催化分解 有效的結(jié)合，可以有效的分解PFCs，產(chǎn)生的NOx比較少，但是對反應(yīng)設(shè)備要求 很高，且存在催化劑失效，定期需要更換催化劑，運(yùn)行成本高等諸多問題。等 離子體方法處理PFCs需要的設(shè)備體積小，運(yùn)行費(fèi)用相對較低，產(chǎn)生的NOx少。 其中，微波等離子體與介質(zhì)阻擋放電、直流電弧、射頻等離子體相比，具有能 量利用率高，無電極污染，電子密度高，等離子體分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，是進(jìn)行化 學(xué)合成與分解，材料表面改性，有害氣體降解脫除的理想工藝，但該方法仍然 存在耗能較大的缺點(diǎn)。
近年來催化劑與等離子體聯(lián)合應(yīng)用去除有害氣體成為研究的熱點(diǎn)。國外許 多學(xué)者通過在等離子體反應(yīng)室中添加固體催化劑，通過等離子體激發(fā)催化劑的 催化活性，產(chǎn)生等離子體與催化對污染物質(zhì)的聯(lián)合去除作用。目前研究的較多 的是介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的等離子體或表面波等離子體與催化劑的聯(lián)合作用，而 微波等離子體與催化劑協(xié)同處理有害氣體，尤其是對全氟碳化物的處理未見報 道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于處理PFCs的物理和化學(xué)協(xié)同凈化系統(tǒng)及方 法，其目的在于在較低能耗的情況下，有效去除全氟化碳?xì)怏w，尤其是穩(wěn)定性 很強(qiáng)的CF4。
本發(fā)明所述的系統(tǒng)主要包括以下裝置在待處理氣體輸入口處設(shè)置有一流
量控制器，流量控制器通過管路與石英管反應(yīng)器連接，反應(yīng)器中采用微波激發(fā)
并維持微波等離子體，石英管反應(yīng)器的內(nèi)壁上預(yù)先涂抹并固化一層催化劑薄膜； 所述的等離子體由微波發(fā)生器通過波導(dǎo)管提供能量，波導(dǎo)管和石英管反應(yīng)器采 用中心點(diǎn)直接耦合方式，由于是流動中的氣體被電離產(chǎn)生等離子體，等離子體 為等離子體炬形，待處理氣體以向下旋流模式注入到反應(yīng)管后經(jīng)等離子體處理 的同時與催化劑薄膜同步反應(yīng)，處理后的氣體通入濕式吸收裝置吸收NOx、 HF等
4有害副產(chǎn)物，最后排放。本發(fā)明的特點(diǎn)是催化劑涂層固化在反應(yīng)管內(nèi)壁，可以
有效的利用高強(qiáng)度的紫外輻射、活性自由基和高溫氣流，達(dá)到協(xié)同處理效果。 用于處理PFCS的物理和化學(xué)協(xié)同凈化方法，包括以下步驟
a) 將待處理氣體經(jīng)流量控制器通入石英管反應(yīng)器中，微波功率為200-800W， 氣體流速為l-20L/min，四氟化碳濃度在I-IOOOO mL/n^的范圍內(nèi)，在反應(yīng)管中采 用微波激發(fā)并維持微波等離子體，等離子體與石英管反應(yīng)器內(nèi)壁上的催化劑涂 層聯(lián)合對混合氣體進(jìn)行連續(xù)處理；
b) 經(jīng)步驟a)處理后的氣體采用濕式吸收法吸收處理后排放，濕式吸收液采 用飽和Ca (OH) 2溶液，溫度為常溫30度以下。
上述催化劑薄膜固化于石英管反應(yīng)器的內(nèi)壁，催化劑薄膜厚度0.1-1.5mm為 上選。
催化劑涂層面積為覆蓋石英管反應(yīng)器內(nèi)壁的一部分或者所有區(qū)域。 所述的催化劑涂層固化方法包括，室溫干燥，熱氣流吹掃，紅外加熱烘干，
微波加熱固化，等離子體處理中的一種或者幾種。
催化劑涂層優(yōu)選含Ti02、 Zr02、 Si02、 A1203、 CaO、 ZnO中的一種或幾種
混合物。
上述流量控制器可以用閥門替代。
本發(fā)明使用微波等離子體與催化劑涂層協(xié)同處理含全氟碳化物的氣體。由 于大氣壓下微波等離子體在去除PFCs過程中，產(chǎn)生大量高強(qiáng)度紫外射線、自由 基活性粒子、高溫，對催化劑有活化作用。對反應(yīng)器出口附近的尾氣溫度檢測 發(fā)現(xiàn)溫度在600-900K左右，這些紫外線和高溫?zé)崃刻N(yùn)含著大量能量。如此高強(qiáng) 度的紫外輻射、活性粒子和高溫氣流，激發(fā)催化劑，提高催化劑的活性，使總 體效果大于兩者單獨(dú)作用之和，微波等離子體與催化劑的協(xié)同作用使PFCs在大 氣壓下被有效去除；在相同功率下可以提高脫除效率，有效的降低了能耗。
本發(fā)明的主要特點(diǎn)在于微波等離子體和催化劑的協(xié)同效應(yīng)，即本發(fā)明所采 用的協(xié)同方法所產(chǎn)生的效果>單獨(dú)的微波等離子體作用+催化劑催化分解作用。 污染氣體脫除效率高，節(jié)省能源，無二次污染。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。 圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖。
圖中1、氣體輸入口； 2、流量控制器；3、石英管反應(yīng)器；4、催化劑薄膜； 5、等離子體；6、濕式吸收裝置；7、波導(dǎo)管；8、微波發(fā)生器。
具體實(shí)施方式
比較例1考察單獨(dú)微波等離子體對PFCs (以CF4為例)的去除效果。微波功率分別 為200、 400和800W時，CF4的脫除效率分別為56%、 69%和77%。比較例2考察等離子體添加氧氣對PFCs (以CF4為例)的去除效果。微波功率分別 為200、 400和800W時，CF4的脫出效率分別為68%、 83%和93%。實(shí)施例l考察等離子體對待處理的含PFCs廢氣的脫除效果。將待處理PFCs氣體經(jīng) 流量控制器(或閥門)1和氣體混合室2后通入反應(yīng)管3中，反應(yīng)管3內(nèi)徑約 15mm，長度400mm;內(nèi)部涂有納米Ti02薄膜，厚度為0.8mm，面積為覆蓋反 應(yīng)管管內(nèi)壁所有區(qū)域，面積約為26.5cm 微波功率為200W-800W，氣體流速為 2L/min，四氟化碳濃度為2000mL/m3，氧氣濃度為1000mL/min，在反應(yīng)管中采 用微波點(diǎn)火，產(chǎn)生微波等離子體，對混合氣體進(jìn)行連續(xù)處理；經(jīng)檢測，微波功 率分別為200、 400和800W時，反應(yīng)進(jìn)行了 1小時時CF4的脫除效率分別為 71.94%、 87.34%、 98.1%。當(dāng)添加催化劑后，去除率在各個功率下都有提高，且 在小功率小即可達(dá)到很高的脫除效率，如催化劑與微波等離子協(xié)同作用，在 400W的微波功率下，四氟化碳的脫除效率要高于單獨(dú)的等離子體方法和等離子 體中微波功率為800W時的脫除率；且催化劑與等離子體協(xié)同作用時，在微波 功率為800W時，四氟化碳的脫除效率均高于98%。因此微波等離子體與催化 劑協(xié)同作用的方法可以達(dá)到高效節(jié)能的目的。 實(shí)施例2將待處理PFCs氣體經(jīng)流量控制器(或閥門)l和氣體混合室2后通入反應(yīng)管3 中，反應(yīng)管3內(nèi)徑約15mm，長度400mm;內(nèi)部涂有納米1102薄膜，厚度為0.8mm, 面積為覆蓋反應(yīng)管管內(nèi)壁所有區(qū)域，面積約為26.5cm 微波功率為800W，四氟 化碳濃度為2000mL/m3，在反應(yīng)管中采用微波點(diǎn)火，產(chǎn)生微波等離子體，對混合 氣體進(jìn)行連續(xù)處理；處理后的氣體采用濕式吸收法吸收處理后排放,濕式吸收液 采用飽和Ca (OH) 2溶液，溫度為常溫30度以下，經(jīng)檢測，在不同氣體流速下， 反應(yīng)進(jìn)行了1小時和10小時時的總脫除效率如表一所示。6表一氣體流速0.517min2L/min10L/min20L/min脫除效率(lh)>99%>98%96%96%脫除效率(10h)>99%>98%96%95%實(shí)施例3將待處理PFCs氣體經(jīng)流量控制器(或閥門)1和氣體混合室2后通入反應(yīng) 管3中，反應(yīng)管3內(nèi)徑約15mm，長度400mm;內(nèi)部涂有納米Ti02薄膜，厚度 為0.8mm,面積為覆蓋反應(yīng)管管內(nèi)壁所有區(qū)域。面積約為26.5cm2，微波功率為 800W，四氟化碳濃度為500-1000mL/m3，總氣體流速為2L/min，在反應(yīng)管中采 用微波點(diǎn)火，產(chǎn)生微波等離子體，對混合氣體進(jìn)行連續(xù)處理；處理后的氣體采 用濕式吸收法吸收處理后排放,濕式吸收液釆用飽和Ca (OH) 2溶液，溫度為常 溫30度以下，經(jīng)檢測，在不同四氟化碳濃度下，反應(yīng)進(jìn)行了 1小時和10小時 時的總脫除效率如表二所示表二四氟化碳濃度 (mUm )50010002000400010000脫除效率(lh)>99%>99%>98%96%81%脫除效率(10h)>99%>99%>98%96%81%實(shí)施例4將待處理PFCs氣體經(jīng)流量控制器(或閥門)l和氣體混合室2后通入反應(yīng) 管3中，反應(yīng)管3內(nèi)徑約15mm，長度400mm;內(nèi)部涂有納米Ti02薄膜，厚度 為O.l、 0.8禾ni.5mm,面積為覆蓋反應(yīng)管管內(nèi)壁所有區(qū)域，面積約為26.5cm2， 微波功率為800W，四氟化碳濃度為2000mL/m3，總氣體流速為2L/min，在反應(yīng) 管中采用微波點(diǎn)火，產(chǎn)生微波等離子體，對混合氣體進(jìn)行連續(xù)處理；處理后的 氣體采用濕式吸收法吸收處理后排放，濕式吸收液采用飽和Ca (OH) 2溶液，溫 度為常溫30度以下，經(jīng)檢測，TiO2薄膜厚度分為0.1、 0.8禾P1.5mm時，四氟化 碳的脫除效率分別為85.6%、 98.1%、 99.2%。權(quán)利要求
1、用于處理PFCs的物理和化學(xué)協(xié)同凈化系統(tǒng)，主要包括以下裝置在待處理氣體輸入口(1)處設(shè)置有一流量控制器(2)，流量控制器(2)通過管路與石英管反應(yīng)器(3)連接，反應(yīng)器中采用微波激發(fā)并維持微波等離子體(5)，石英管反應(yīng)器(3)的內(nèi)壁上預(yù)先涂抹并固化一層催化劑薄膜(4)；所述的等離子體(5)由微波發(fā)生器(8)通過波導(dǎo)管(7)提供能量，波導(dǎo)管(7)和石英管反應(yīng)器(3)采用中心點(diǎn)直接耦合方式，由于是流動中的氣體被電離產(chǎn)生等離子體，等離子體為等離子體炬形，待處理氣體以向下旋流模式注入到反應(yīng)管后經(jīng)等離子體(4)處理的同時與催化劑薄膜(4)同步反應(yīng)，處理后的氣體通入濕式吸收裝置(6)吸收有害副產(chǎn)物，最后排放。
2、 用于處理PFCs的物理和化學(xué)協(xié)同凈化方法，包括以下步驟a) 將待處理氣體經(jīng)流量控制器(2)通入石英管反應(yīng)器(3)中，微波功率為 200-800W，氣體流速為l-20L/min，四氟化碳濃度在1-10000 mL/n^的范圍內(nèi)，在 反應(yīng)管中采用微波激發(fā)并維持微波等離子體(5)，等離子體(5)與石英管反應(yīng) 器內(nèi)壁上的催化劑涂層(4)聯(lián)合對混合氣體進(jìn)行連續(xù)處理；b) 經(jīng)步驟a)處理后的氣體采用濕式吸收法吸收處理后排放，濕式吸收液(6) 采用飽和Ca (OH) 2溶液，溫度為常溫30度以下。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的用于處理PFCs的物理和化學(xué)協(xié)同凈化系統(tǒng)及 方法，其特征在于所述催化劑薄膜固化于石英管反應(yīng)器的內(nèi)壁，催化劑薄膜厚 5mm。
4、 如權(quán)利要求2所述用于處理PFCs的物理和化學(xué)協(xié)同凈化方法，催化劑 涂層面積為覆蓋石英管反應(yīng)器內(nèi)壁的一部分或者所有區(qū)域。
5、 如權(quán)利要求1或2所述用于處理PFCs的物理和化學(xué)協(xié)同凈化系統(tǒng)及方 法，其中所述的催化劑涂層固化方法包括，室溫干燥，熱氣流吹掃，紅外加熱 烘干，微波加熱固化，等離子體處理中的一種或者幾種。
6、 如權(quán)利要求1或2所述的用于處理PFCs的物理和化學(xué)協(xié)同凈化系統(tǒng)及 方法，其中催化劑涂層包含Ti02、 Zr02、 Si02、 A1203、 CaO、 ZnO中的一種或 幾種混合物。
7、 如權(quán)利要求1 6任意一項(xiàng)所述的用于處理PFCs的物理和化學(xué)協(xié)同凈化 系統(tǒng)及方法，其特征在于所述流量控制器(2)用閥門替代。
全文摘要
用于處理PFCs的物理和化學(xué)協(xié)同凈化系統(tǒng)及方法，是利用微波發(fā)生器(功率200-800W)輸出頻率為2.45GHz的微波，將微波通過矩型波導(dǎo)管傳輸，調(diào)節(jié)微波位相使其與共振腔良好匹配。共振腔內(nèi)部中心設(shè)置石英管反應(yīng)器(內(nèi)徑為15mm，長度400mm)，石英管內(nèi)壁涂有氧化物催化劑涂層。需要處理的氣體通過流量控制器(或閥門)控制流量(1-20L/min)，以旋轉(zhuǎn)氣流模式注入石英管反應(yīng)器中，被微波激發(fā)形成大氣壓下微波等離子體射流。處理后的氣體通過Ca(OH)₂溶液吸收有害副產(chǎn)物氣體(NO_x，HF等)后排放。本發(fā)明具有污染氣體脫除效率高，節(jié)省能源，無二次污染的特點(diǎn)。
文檔編號B01J19/12GK101502757SQ20091001034
公開日2009年8月12日 申請日期2009年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月9日
發(fā)明者冰 孫, 朱小梅, 解宏端 申請人:大連海事大學(xué)