淺析揮發(fā)性有機(jī)廢氣治理技術(shù)

劉 媛，王鴦鴦，楊 威

（1.中國(guó)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)，北京 100037；2.北京理工大學(xué)，北京 100081）

淺析揮發(fā)性有機(jī)廢氣治理技術(shù)

劉 媛1，王鴦鴦1，楊 威2

（1.中國(guó)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)，北京 100037；2.北京理工大學(xué)，北京 100081）

揮發(fā)性有機(jī)廢氣會(huì)對(duì)環(huán)境和人類產(chǎn)生嚴(yán)重危害，已成為我國(guó)環(huán)境保護(hù)工作的重點(diǎn)之一。本文闡述了揮發(fā)性有機(jī)物的來(lái)源及危害，并具體介紹了目前處理?yè)]發(fā)性有機(jī)物的基本方法，如吸附法、吸收法、冷凝法、燃燒法、生物法等。

揮發(fā)性有機(jī)物;廢氣;治理技術(shù)

為解決日益嚴(yán)重的灰霾和光化學(xué)煙霧等區(qū)域性大氣污染問(wèn)題，減少對(duì)公眾健康的影響，國(guó)務(wù)院辦公廳于2010年5月轉(zhuǎn)發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)大氣污染聯(lián)防聯(lián)控工作改善區(qū)域空氣質(zhì)量的指導(dǎo)意見(jiàn)》（國(guó)辦發(fā)〔2010〕33號(hào)）（以下簡(jiǎn)稱“指導(dǎo)意見(jiàn)”）。“指導(dǎo)意見(jiàn)”強(qiáng)調(diào)，國(guó)內(nèi)外的成功經(jīng)驗(yàn)表明，解決區(qū)域大氣污染問(wèn)題，必須盡早采取區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控措施，控制揮發(fā)性有機(jī)物、氮氧化物等重點(diǎn)污染物。目前，環(huán)境保護(hù)部正在根據(jù)“指導(dǎo)意見(jiàn)”要求制定《重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治規(guī)劃（2011-2015年）》，其中明確提出近期要全面展開(kāi)重點(diǎn)區(qū)域的揮發(fā)性有機(jī)物污染防治工作，把揮發(fā)性有機(jī)物污染控制作為建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容。隨著這些文件的頒布，揮發(fā)性有機(jī)物污染防治在環(huán)境管理中的重要性逐步凸顯，引起了越來(lái)越廣泛的社會(huì)關(guān)注。

1 揮發(fā)性有機(jī)物及其危害

揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile Organic Compounds，VOCs）是對(duì)一大類物質(zhì)的統(tǒng)稱，通常是指沸點(diǎn)在50℃至260℃之間、室溫下飽和蒸氣壓超過(guò)71Pa的有機(jī)物。由于VOCs種類繁多，導(dǎo)致?lián)]發(fā)性有機(jī)廢氣的類型也多種多樣、組成復(fù)雜。有機(jī)廢氣中經(jīng)常碰到的VOCs有烴類（烷烴、烯烴和芳烴）、酮類、酯類、醇類、酚類、醛類、胺類、腈（氰）類等（見(jiàn)表1）。其中，工業(yè)排放量最大的物質(zhì)為三苯類（苯、甲苯、二甲苯）和鹵代烴類，三苯物質(zhì)和鹵代烴同時(shí)也是高毒性的物質(zhì)。

表1 常見(jiàn)VOCs污染物分類

VOCs對(duì)環(huán)境的危害主要包括：

（1）大多數(shù)VOCs有毒、有惡臭，一部分VOCs有致癌性，如氯乙烯、苯、多環(huán)芳烴、甲醛等；

（2）多數(shù)VOCs易燃易爆，對(duì)生產(chǎn)企業(yè)存在不安全性；

（3）在陽(yáng)光照射下，大氣中的氮氧化合物、碳?xì)浠衔锱c氧化劑發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，生成光化學(xué)煙霧，產(chǎn)生的二次污染對(duì)人類健康造成更大的危害；

（4）鹵烴類VOCs可破壞臭氧層，如氯氟碳化物（CFCs）；

（5）揮發(fā)性有機(jī)化合物中的芳香烴（如：二甲苯、甲苯等）及含氧碳?xì)浠衔铮ㄈ纾阂掖肌⑼?、酯等）由于揮發(fā)性較大，易擴(kuò)散在大氣中，嚴(yán)重污染環(huán)境和影響人體健康。

此外，VOCs的污染范圍不僅僅局限在一個(gè)城市或國(guó)家內(nèi)，隨著它的擴(kuò)散與遷移，可以引起包括酸雨、臭氧層破壞、大氣變暖等全球環(huán)境問(wèn)題，具有跨國(guó)性和全球性[1、2]。因此，VOCs被視為繼粉塵之后的第二大類量大面廣的大氣污染物，VOCs的凈化治理也逐步成為了大氣污染治理中非常重要的一部分[3]。

2 VOCs的來(lái)源

大氣中VOCs分為天然源和人為源。但通常人們關(guān)注的大氣中VOCs主要來(lái)自人為污染源：即生產(chǎn)過(guò)程的排放。這些生產(chǎn)過(guò)程包括石化廠、煉油廠及在生產(chǎn)過(guò)程中大量使用有機(jī)溶劑的相關(guān)行業(yè)，如涂料生產(chǎn)、涂裝、印刷、制藥、皮革加工、樹(shù)脂加工等。VOCs主要來(lái)源如表2所示。

表2 VOCs污染物主要來(lái)源

3 有機(jī)廢氣處理技術(shù)

為了有效控制及解決VOCs對(duì)人類和環(huán)境的影響，減少VOCs帶來(lái)的損失，尋求有效的VOCs治理技術(shù)已迫在眉睫。造成大氣復(fù)合污染的四大類物質(zhì)包括SOx、NOx、VOCs和顆粒物。與SOx、NOx及顆粒物相比，VOCs的組成最為復(fù)雜，這就決定了對(duì)VOCs的治理不能采用單一的凈化技術(shù)，需要根據(jù)污染物的性質(zhì)和排放特點(diǎn)來(lái)選擇不同的凈化技術(shù)進(jìn)行治理。

目前，可以將VOCs治理技術(shù)分為兩大類：回收法和分解法（如下圖所示[4-7]）。

VOCs治理技術(shù)示意圖

3.1 吸附法

吸附法是利用各種固體吸附劑（如活性炭、活性碳纖維、分子篩等）對(duì)排放廢氣中的污染物進(jìn)行吸附凈化的方法。吸附法設(shè)備簡(jiǎn)單、適用范圍廣、凈化效率高，是一種傳統(tǒng)的廢氣治理技術(shù)，也是目前應(yīng)用最廣的治理技術(shù)。與其它方法相比，該方法具有處理效率高、吸附物質(zhì)可回收、能耗低、工藝成熟、易于推廣使用的優(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)廢氣中有膠類物質(zhì)或其它雜質(zhì)時(shí)，吸附劑易失效，且失效后的吸附劑會(huì)造成一定的環(huán)境污染。

3.2 吸收法

吸收法是采用低揮發(fā)或不揮發(fā)液體為吸收劑，通過(guò)吸收裝置利用廢氣中各種組分在吸收劑中的溶解度或化學(xué)反應(yīng)特性的差異，使廢氣中的有害組分被吸收劑吸收，從而達(dá)到凈化廢氣的目的。該方法適用于濃度較高、溫度較低和壓力較大情況下氣相污染物的處理，在油氣回收、漆霧凈化等領(lǐng)域都有較廣泛的應(yīng)用。但該法存在后處理過(guò)程復(fù)雜以及二次污染等問(wèn)題[8]，因而應(yīng)用范圍受到很大限制，目前應(yīng)用較少。

3.3 冷凝法

冷凝法是利用物質(zhì)在不同溫度下具有不同飽和蒸氣壓的性質(zhì)，采用降低系統(tǒng)溫度或提高系統(tǒng)壓力，使處于蒸氣狀態(tài)的污染物從廢氣中冷凝分離出來(lái)的過(guò)程。該方法適用于高濃度有機(jī)溶劑蒸氣的凈化，經(jīng)過(guò)冷凝后的尾氣仍然含有一定濃度的有機(jī)物，需進(jìn)行二次低濃度尾氣治理。冷凝法常用來(lái)回收VOCs中有價(jià)值的組分，實(shí)現(xiàn)資源化利用。在實(shí)際應(yīng)用中，常將該方法與吸附法或焚燒法聯(lián)合使用，以降低設(shè)備的運(yùn)行條件和運(yùn)行成本[9]。

3.4 膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)是利用天然或人工合成的膜材料來(lái)分離污染物的過(guò)程，是一種新型高效的分離方法，具有流程簡(jiǎn)單、能耗小、無(wú)二次污染等特點(diǎn)。20世紀(jì)80年代后，膜分離技術(shù)廣泛應(yīng)用于海水淡化、食品工業(yè)、生物化工及化學(xué)化工等領(lǐng)域的液相分離和VOCs的回收，還用于石油化工中乙烷蒸氣、甲苯、二氯甲烷、氯乙烯等的分離與回收?？梢曰厥盏腣OCs包括脂肪類和芳香族碳?xì)浠衔铩⒑热軇?、酮、醛、腈、醇、胺、酸等[10]。

3.5 燃燒法

燃燒法是利用有機(jī)氣相污染物易燃燒的性質(zhì)進(jìn)行處理的一種方法。包括直接燃燒法和催化燃燒法。直接燃燒法是一種把可燃的有機(jī)氣相污染物當(dāng)作燃料來(lái)燃燒的方法，該方法適合處理高濃度有機(jī)氣相污染物，燃燒溫度控制在1100℃以上，去除效率達(dá)95%以上；催化燃燒法是一種利用類似熱氧化的方式來(lái)處理有機(jī)氣相污染物的方法，其凈化有機(jī)物是用鉑、鈀等貴金屬催化劑及過(guò)渡金屬氧化物催化劑來(lái)代替火焰，操作溫度較熱氧化低一半，通常為250℃～500℃。

3.6 生物法

生物法是一種經(jīng)濟(jì)有效、環(huán)境友好的VOCs治理方法，主要適合于低濃度、大氣量且宜生物降解的有機(jī)廢氣治理。其是利用微生物生命體的新陳代謝作用將污染物轉(zhuǎn)化成無(wú)害簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物和細(xì)胞質(zhì)。由于具有處理成本低、無(wú)二次污染、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)外得到了迅速發(fā)展。隨著生物菌落和各種填料開(kāi)發(fā)不斷取得突破，生物法在今后將會(huì)成為有機(jī)廢氣治理的主要技術(shù)之一。

3.7 電暈法

電暈法處理VOCs的原理是通過(guò)陡峭、脈沖窄的高壓電暈，在常溫下獲得非平衡態(tài)VOCs離子體，即產(chǎn)生大量的高能電子或高能電子激發(fā)產(chǎn)生的O、OH、N等活性粒子，并且還可以產(chǎn)生臭氧，各種活性粒子和臭氧會(huì)與VOCs發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，破壞VOCs分子中的C-C、C-O或C-H等化學(xué)鍵，由于O、OH基及臭氧具有強(qiáng)氧化能力，結(jié)果使C、H分解氧化產(chǎn)生CO2和H2O[11]。由于反應(yīng)器長(zhǎng)時(shí)間操作存在穩(wěn)定性和催化效率降低等原因，該方法目前還未能實(shí)用化和商業(yè)化。

3.8 光催化法

光催化法主要是利用光催化劑（如TiO2）的光催化性，氧化吸附在催化劑表面的VOCs。利用特定波長(zhǎng)的光（通常為紫外光）照射TiO2光催化劑，激發(fā)出“電子—空穴”（一種高能粒子）對(duì)，這種“電子—空穴”對(duì)與水、氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生具有極強(qiáng)氧化能力的自由基活性物質(zhì)，將吸附在催化劑表面上的有機(jī)物氧化為CO2和H2O等無(wú)毒無(wú)害物質(zhì)。環(huán)境中主要應(yīng)用于廢水凈化處理，在有機(jī)廢氣污染物治理方面，由于其存在反應(yīng)速率慢、光子效率低等缺點(diǎn)，應(yīng)用還不廣泛。

3.9 等離子體技術(shù)

等離子體技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的廢氣治理新技術(shù)，屬低濃度VOCs治理的前沿技術(shù)。其方法是利用高能電子射線激活、電離、裂解廢氣中各組分，從而發(fā)生氧化等一系列復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，將有害物轉(zhuǎn)化為無(wú)害物或?qū)⒂杏玫母碑a(chǎn)物加以回收。等離子體技術(shù)對(duì)于臭味的凈化具有良好的效果，并且在橡膠廢氣、食品加工廢氣等的除臭中得到了應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

由于VOCs的種類繁多，性質(zhì)各異，排放狀況多樣，因此對(duì)于VOCs處理方法的選擇也不盡相同。需要充分了解不同治理技術(shù)的特點(diǎn)及其有效的使用范圍，對(duì)于特定的含VOCs的廢氣的治理，要從技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上進(jìn)行綜合評(píng)估，以實(shí)現(xiàn)最佳的治理效果。

[1]李琳，劉俊新． 揮發(fā)性有機(jī)污染物與惡臭的生物處理技術(shù)及其工藝選擇[J]． 環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2001，2（5）：41-47．

[2]Faisal I． Khan， Aloke Kr． Ghoshal． Review-Removal of volatile organic compounds from polluted air． J Loss Prevention in the Process Indurtries．2000， 13：527-545．

[3]魏在山．生物膜填料塔凈化有機(jī)廢氣的工業(yè)應(yīng)用研究[D]．昆明：昆明理工大學(xué)，2000．

[4]Devinny J S，Deshusses M A，Webster T S．Biofiltration for air pollution control．Boca Raton，1999．

[5]USEPA．EPA air pollution control cost manual． Sixth edition．EPA/452/B-02-001．2002．

[6]Khan F I．，Ghoshal A K．Removal of volatile organic compounds from polluted air．J．Loss Prevent．Proc．2000，13（6）：527-529．

[7]Engleman V S．Updates on choices of appropriate technology for control of VOC emissions．J．Metal Finishing，2000，98（6）：433-445．

[8]Spadavecchia J，Ciccarella G，Rella R．Optical characterization and analysis of the gas/surface adsorption phenomena on phthalocyanines thin films for gas sensing application． Sensors Actuat．B-Chem．，2005，106（1）：212-220．

[9]Parthasarathy G，El-Halwagi M M．Optimum mass integration strategies for condensation and allocation of multicomponent VOCs．Chem．Eng．Sci．，2000，55（5）：881-895．

[10]Wang C，Lin S，Chen C，Weng H．Performance of the supported copper oxidecatalysts for the catalytic incineration of aromatic hydrocarbons Chemosphere，2006，64（3）：503-509．

[11]Wang X，Koyama Y，Wada Y，Sasaki S，et al．A dye-sensitized solar cell using pheophytin-carotenoid adduct：Enhancement of photocurrent by electron and singlet-energy transfer and by suppression of singlet-triplet annihilation due to the presence of the carotenoid moiety．Chem．Phys．Lett．，2007，in Press．

Brief Discussion on Treatment Technology of Waste Volatile Organic Compounds

LIU Yuan1, WANG Yang-yang1, YANG Wei2
(1.China Association of Environmental Protection Industry, Beijing 100037;2.Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Volatile organic compounds is one kind of waste gas causing harm to environment and the human body, and it has been concerned specially. This paper expounds the sources and hazards of volatile organic compounds, and the basic methods in treatment of VOCs, such as adsorbent method, absorption method, condensation method, combustion method and biological method, etc.

volatile organic compounds; waste gas; treatment technology

X701

A

1006-5377（2012）11-0040-04