揮發(fā)性有機(jī)廢氣治理技術(shù)進(jìn)展

黃建洪，寧 平，許振成，周新云，周 瑜，彭福全

(1.昆明理工大學(xué)，云南昆明 650093;2.環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣東廣州 510655)

揮發(fā)性有機(jī)化合物 (VOCs)一般是指在常溫常壓下飽和蒸氣壓＞70Pa、沸點(diǎn)＜260℃的有機(jī)化合物的總稱，包括脂肪烴、芳香烴、含鹵烴類、含氧烴類、含氮烴和含硫烴類等。VOCs對生態(tài)環(huán)境和人體健康存在嚴(yán)重危害，在太陽光照射下可與NOx發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，是產(chǎn)生光化學(xué)煙霧的原因之一，VOCs可引起人體致癌、致畸和動植物中毒。美國1990年的空氣法強(qiáng)調(diào)在未來的8a內(nèi)要減少189種有毒化學(xué)品90%的排放，其中VOCs占70%。VOCs種類繁多，分布面廣，它們主要來源于石油、化工、輕工等許多行業(yè)和部門，有些行業(yè)比如石油開采與加工、煉焦與煤焦油加工、有機(jī)合成、溶劑加工、感光材料、油漆涂料加工及使用等，尤其帶來嚴(yán)重污染。一份對中國43個城市的VOCs調(diào)查中報道［1］，中國大多數(shù)城市市區(qū)的VOCs主要來源于汽車尾氣。為消除環(huán)境污染，保護(hù)人體健康，回收資源，對VOCs進(jìn)行治理是非常必要的。

揮發(fā)性有機(jī)廢氣的治理方法有很多，總的分為破壞法和回收法［2］。破壞法又可分為燃燒法 (包括直接燃燒、熱力燃燒與催化燃燒)和生物法，回收法又可分為吸收法、吸附法、冷凝法、膜分離法等，在實(shí)際應(yīng)用中通常是上述方法中兩種或兩種以上的方法的組合。

1 燃燒法

燃燒法是利用揮發(fā)性有機(jī)物的可燃性，在一定的溫度下將其通入到焚燒爐中進(jìn)行燃燒，最終生成CO2和H2O而得以凈化的方法。根據(jù)燃燒溫度和方式的不同一般分為直接燃燒、熱力燃燒和催化燃燒。

1.1 直接燃燒法

直接燃燒法是將VOCs直接通入到焚燒爐中進(jìn)行高溫燃燒的方法。當(dāng)VOCs濃度高、可燃性好時可以直接燃燒，當(dāng)濃度低時需要加入一定的輔助燃料，燃燒最終生成CO2和H2O排入空氣，同時回收利用燃燒熱。這種方法投資費(fèi)用低，設(shè)備簡單，操作方便，但是維持高溫燃燒 (＞1100℃)需要高額的運(yùn)行費(fèi)用，而且高溫燃燒產(chǎn)生的NOx成為二次污染物。

1.2 熱力燃燒法

熱力燃燒法工藝流程如圖1所示，VOCs氣體首先經(jīng)過熱交換器升到一定溫度后進(jìn)入熱力燃燒室進(jìn)行燃燒。這種方法處理的VOCs濃度為100～2000ppm，處理效率95% ～99%［3］。與直接燃燒法相比，熱力燃燒法的燃燒溫度一般在700～900℃，節(jié)省了能源消耗。

1.3 催化燃燒法

催化燃燒法是指VOCs在催化劑的作用下反應(yīng)生成CO2和H2O的方法［4］。催化劑的作用是降低有機(jī)物的起燃溫度，同時縮短反應(yīng)時間。目前用于治理VOCs的催化劑有貴金屬催化劑 (如Pt、Pd)和非貴金屬催化劑 (如V、Ti、Fe、Cu等)。Pt/H－Beta和PdO/H－Beta催化劑對氯化烴類具有很強(qiáng)的選擇性催化分解作用［5～6］。而 M.A.Centeno［7］等人研究表明Au/TiOxNy催化劑對已烷、苯和丙醇等有機(jī)物具有很高的催化作用。與熱力燃燒法相比，催化燃燒法所需的燃燒溫度更低 (200～400℃)，大大降低了能耗，而且在較低的溫度下燃燒避免了NOx二次污染物的生成。但是催化劑較易被含S、P、As等物質(zhì)中毒而失去催化活性，另外催化劑的更換也需要昂貴的費(fèi)用。

2 生物法

生物過濾法最初是為治理惡臭氣體而開發(fā)出來的一種技術(shù)，近年來研究發(fā)現(xiàn)其對揮發(fā)性有機(jī)廢氣也有較好的處理效果［8～10］。生物過濾法的核心處理設(shè)備是生物濾床 (如圖3所示)，濾床內(nèi)裝有能形成生物膜的填料，VOCs先經(jīng)過濕度控制以后進(jìn)入生物濾床，在濾床里VOCs被生物膜上的生物經(jīng)過一系列的新陳代謝作用分解成CO2和H2O得到凈化。

生物過濾法主要用于處理低濃度的VOCs，處理效率取決于操作條件的控制，對不同的有機(jī)物其降解效率在40% ～98%［11］。生物法的運(yùn)行成本很低，但是設(shè)備龐大，有選擇性，運(yùn)行條件也較為苛刻。

3 吸附法

吸附法是利用具有微孔結(jié)構(gòu)的固體介質(zhì) (吸附劑)將目標(biāo)物質(zhì) (吸附質(zhì))吸附在其表面上以達(dá)到從主體中將其分離的過程［12］。吸附法工藝流程如圖4所示，有機(jī)廢氣經(jīng)過風(fēng)機(jī)后進(jìn)入吸附塔1進(jìn)行吸附操作，當(dāng)塔1吸附飽和后將氣體切換到塔2進(jìn)行吸附，而塔1進(jìn)行脫附、再生等操作，如此交替操作，達(dá)到連續(xù)處理的目的。目前常用的吸附劑有活性炭和沸石分子篩等，活性炭具有較大的比表面積，高的吸附容量，無選擇性吸附，是最常用的VOCs吸附劑［13］;沸石分子篩具有均勻的微孔結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的選擇性吸附。吸附法與其它方法相比具有去除效率高，能耗低，工藝成熟，易于推廣實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，具有很好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。缺點(diǎn)是處理設(shè)備龐大，流程復(fù)雜，當(dāng)廢氣中有膠粒物質(zhì)或其他雜質(zhì)時，吸附劑易失效。

4 吸收法

吸收法是用吸收液與待處理廢氣進(jìn)行充分接觸而將其中的可溶于該吸收液的VOCs從廢氣中分離出來的過程。吸收工藝的主體單元通常采用噴淋塔、填料塔等能提供良好氣液接觸的設(shè)備。吸收法具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、工藝流程短、易維護(hù)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是廢氣治理中常用的方法，但是吸收劑的選擇、回收或進(jìn)一步處理成為環(huán)保治理的棘手問題，因此限制了其發(fā)展。

5 冷凝法

對于含一定濃度的有機(jī)蒸氣的廢氣，在將其降溫時，廢氣中的有機(jī)物蒸氣濃度不變，但其相應(yīng)的飽和蒸氣壓值已低于廢氣中組分分壓時，該組分就要凝結(jié)為液體，廢氣中組分分壓值即可降低，也可實(shí)現(xiàn)氣體分離的目的［14］。將有機(jī)廢氣冷凝為液體可采用冷卻法，也可采用壓縮法，或兩者結(jié)合。冷凝法一般用于高濃度有機(jī)廢氣的回收或預(yù)處理，當(dāng)要回收有機(jī)物時，通常要求廢氣的濃度高、組分少。

6 膜分離法

膜分離法是根據(jù)有機(jī)蒸氣和空氣透過膜的能力不同，而將二者分離的方法。膜分離方法作為高效分離的新技術(shù)已廣泛應(yīng)用于液體、氣體的分離領(lǐng)域，其核心部分為膜分離器，常見的膜分離器有中空纖維膜和卷式膜。膜分離法適合對高濃度有機(jī)廢氣的回收處理，可回收常見的VOCs有脂肪烴、芳香烴、含氯溶劑、酮、醛、腈、酚、醇、胺、酸等［15］。膜分離法投資費(fèi)用較高，一般作為高濃度有機(jī)廢氣的預(yù)處理單元。

表1 幾種VOCs處理工藝特點(diǎn)的分析

表1給出了上述幾種有機(jī)廢氣處理工藝特點(diǎn)的分析對比結(jié)果。

7 結(jié)束語

隨著有機(jī)廢氣的治理日益成為環(huán)保關(guān)注的焦點(diǎn)，其治理技術(shù)勢必不斷發(fā)展。燃燒法工藝簡單，處理效率高，但能耗也高;生物法運(yùn)行成本低，但占地面積大，彈性較小;膜分離技術(shù)是新技術(shù)，其在VOCs治理中的廣泛應(yīng)用還有待于進(jìn)一步研究。目前實(shí)際應(yīng)用多是上述方法的組合使用，如吸附－冷凝回收法、吸附－解吸－催化燃燒法、吸附－濃縮－燃燒法等，組合法克服了單一方法的缺陷，使有機(jī)廢氣的污染問題得到了解決。

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