基本信息
- 项目名称：
- 一种防治煤矿瓦斯爆炸事故的新技术--光催化瓦斯净化器
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品是以特制的复合光催化剂为气体净化载体，采用将催化剂粉体分散于液相中的形式，制作而成的光催化瓦斯净化器。瓦斯气体在抽风泵的作用下进入反应器，在复合光催化剂的高效光催化作用下被分解成CO2和H2O，从而达到降低瓦斯浓度，防止瓦斯爆炸发生的目的！ 本装置灵巧简便，操作简单，便于安装；成本低，能耗小，安全性高，降解产物清洁无污染，是一项绿色环保技术。
- 详细介绍：
- 光催化瓦斯净化器，以其独特的光催化降解原理，有别于其他瓦斯净化系统，具有独创性、先进性，是一项防治煤矿瓦斯爆炸事故的全新技术。 净化器中的净化材料以特制的复合二氧化钛为主，采用将二氧化钛粉体分散于液相中的形式，催化剂在溶液中呈高分散的纳米状态，利于与待降解的污染气体充分接触。反应器主要由送风系统、过滤系统、净化系统、检测监控系统四大部分组成。以小型气泵作为送风系统，用于向反应器中连续输送污染气体；过滤系统用于除去硫化氢、粉尘等杂质；检测器采用甲烷检测器，可数字显示甲烷气体体积浓度，精度为0.01%。 瓦斯气体在气泵的作用下通过过滤系统进入主反应器，在复合二氧化钛的高效光催化作用下被分解成CO2和H2O等非可燃无害气体，从而达到降低瓦斯浓度，防止瓦斯爆炸发生的目的！ 本装置灵巧简便，操作简单，便于安装；成本低，能耗小，安全性高，降解产物清洁无污染，是一项绿色环保技术。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品发明的目的： 1、开发一种新的气体净化技术； 2、研制一套新型光催化瓦斯净化装置。 基本思路： 1、在前人对光催化剂改性研究的基础上，制备合成不易团聚、分散性能优良的纳米复合光催化材料； 2、将研制的光催化材料用于瓦斯气体净化,研制一种新型光催化瓦斯净化装置； 3、以甲烷为净化模型，对净化装置进行性能测试与评价，并作进一步改进与完善。 创新点： 1、利用复合光催化剂的稳定性和高的催化活性，对瓦斯进行光催化降解，消除瓦斯爆炸隐患，与其他瓦斯防爆措施相比，本作品应用于煤矿瓦斯净化是一次崭新而大胆的尝试； 2、光催化剂可重复使用，降解终产物清洁，无二次污染，本技术是一项绿色环保技术； 3、本装置使用方便,操作简单，具有能耗低、灵活性高、成本低廉、可行性强等独特优点。 技术关键： 1、光催化剂粒径大小和光催化活性是本作品的技术关键之一； 2、光催化瓦斯气体净化器的结构设计及连续性操作是本作品的技术核心。 技术指标： 1、纳米复合光催化剂能高度分散于液相中,而且无明显沉淀，保持时间t＞15天； 2、对模拟甲烷气体具有明显降解效果（降解率η>60%）；
科学性、先进性
- 目前瓦斯处理技术主要有：瓦斯抽放、生物催化降解等。本作品利用光催化氧化技术降解瓦斯气体，技术先进,具有科学创新性。 TiO2作为性能最稳定的光催化剂，能降解大多数有机污染物。但TiO2存在以下不足： 1、纳米TiO2极易团聚，分散性差，导致比表面减小，催化效果降低； 2、粉体TiO2回收困难，在实际应用中受到很大限制； 3、负载型光催化剂虽然可重复使用,但比表面过小，膜层容易脱落流失,不宜推广使用。 本作品针对以上不足,开展了以下研究工作： 1、在TiO2表面包一层无机薄膜,使催化剂在液相中不易团聚； 2、进气方式采用由下往上鼓泡进入，与复合TiO2的高分散性、重复使用性相结合，可使催化剂长期处于悬浮状态，从而不用考虑回收问题； 3、与其他瓦斯处理方法相比，本装置结构简单，操作方便，有利于煤矿随时随地现场处理。
获奖情况及鉴定结果
- 2008年在某大学科技节上获院级特等奖； 2008年在某大学校科技节上获校级特等奖； 2009年某省第七届“挑战杯”科技竞赛上获省级特等奖.
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 面议
作品可展示的形式
- 实物、产品；现场演示；图片。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 瓦斯是矿井安全生产的最大威胁。目前常见的瓦斯处理技术有：瓦斯抽放、生物降解、超重力场裂解瓦斯等，但它们存在运行费用高，降解率低，二次污染严重等局限性。基于以上问题，本小队提出以TiO2为净化原料的光催化瓦斯净化器的创新想法。 纯的TiO2应用于气体净化中存在分散性差、易团聚等缺陷。本作品中的复合TiO2能长期分散于液相中而不易团聚，催化活性高、使用寿命长。采用液相反应器进一步增大了催化剂的比表面积。与其他瓦斯处理系统相比，本装置具有能耗低、成本小、无二次污染等优势。 瓦斯爆炸的频率在近几年呈上升趋势，在此严峻形势之下，国家急需一种安全性更好、性能更优越的瓦斯防爆系统，本作品在经过进一步优化与完善后将趋于成熟化、实用化，极有希望在瓦斯防爆方面得到大力推广。由于复合TiO2 的光催化氧化性是无选择性的，本作品还可应用于室内空气净化，石油工业废气净化，坑道中H2S的净化等。加上净化装置的制作工艺简单，TiO2价格低廉，本作品具有广阔的市场前景与可观的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 自1972年日本学者Fujishima和Honda发现通过光电子化学法在TiO2单晶电极上能分解水以来，半导体TiO2光催化剂引起了人们的广泛关注。在随后的进一步研究中，人们发现：半导体TiO2以及其光催化、无毒无害等优良性质，具有十分广阔的前景，可应用于太阳能转换与存储、污水治理、空气净化、抗菌除臭等各个发面。1976年，J.H.Carry报道了TiO2水浊液在近紫外光照射下，可使多氯联苯脱氯，使TiO2在环保领域的应用研究日新月异，直至1995年，Blake报道了能被TiO2光催化处理的有机物达300多种。TiO2与污染物作用的主要特点是在常温常压下，利用光催化剂、光、空气就能将有机污染物降解，并最终全部矿化为二氧化碳、水、毒性较小的有机物和无机离子等，能彻底破坏有机物，达到无害处理的要求。纳米二氧化钛虽然具有比表面积大、表面能高，光催化活性好等特点，但是这些特点又导致其热力学上不稳定、易于团聚，从而影响纳米二氧化钛的光催化活性，降低了纳米颗粒的实际应用效果。要制备具有优越性能的纳米材料，必须使纳米二氧化钛呈分散状态，提高产品的应用性能。因此，为了防止团聚现象的发生，获得粒径小、粒径分布窄、分散性好的纳米粒子就需要对纳米粒子进行表面包覆，从而使粒子保持稳定的分散状态。对TiO2的包覆主要分无机包覆与有机包覆，其中对以二氧化硅来包覆的研究最为活跃，并有效提高了光催化剂的分散性与光催化活性。 气体净化器也逐渐成为国内外科学工作者的研究热点之一。目前,光催化反应器种类较多。按光源类型可分为聚光型和非聚光型反应器,按光源的位置可分为外置型和浸入型反应器,按催化剂在溶液中的存在状态,可分为悬浮型、镀膜型和填充型反应器。镀膜型和填充床型又被称为负载型光催化反应器。高效的光催化反应器研制比传统的反应器要求较高,在许多方面都需要进一步的优化,如光源类型的选择和布置,高效光催化剂的制备,尤其是反应器的动力学模型还需要进行系统的试验研究。 气体净化器的种类虽然较多，但很少能真正投入到生产应用中，特别是在煤矿瓦斯处理上几乎没有光催化反应器的先例，这也说明在这个领域还有许多困难需要我们共同解决，但随着光催化技术的发展和研究的深入,光催化技术将会发挥出自身的技术价值,必将给我们带来更多的工业效益、环境效益和社会效益。
