光催化氧化法處理揮發(fā)性有機廢氣的分析研究

廖志瓊

（惠東縣環(huán)境科學研究所 廣東惠州 516300）

近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，化工企業(yè)的大量新起，企業(yè)環(huán)保投資力度的不夠，導致了大量工業(yè)有機廢氣的排放，致使大氣環(huán)境質(zhì)量下降，給人體健康帶來嚴重危害，給國民經(jīng)濟造成巨大損失，因此，需要加大對有機廢氣的處理。對有機廢氣的治理,人們早就有研究而且已經(jīng)開發(fā)出一些卓有成效的控制技術(shù)如廣泛采用并且研究較多的有熱破壞法、冷凝法吸收法等近年來形成的新控制技術(shù)有生物膜法、電暈法、等離子體分解法、光催化氧化法等。本文重點通過光催化氧化法對揮發(fā)性有機廢氣的處理的分析，提出有機廢氣處理的有效措施。

有機廢氣處理是指在工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的，對有機廢氣進行吸附、過濾、凈化的處理工作。通常有機廢氣處理有甲醛有機廢氣處理、苯、甲苯、二甲苯等苯系物有機廢氣處理、丙酮丁酮有機廢氣處理、乙酸乙酯廢氣處理、油霧有機廢氣處理、糠醛有機廢氣處理、苯乙烯、丙烯酸有機廢氣處理、樹脂有機廢氣處理、添加劑有機廢氣處理、漆霧有機廢氣處理、天那水有機廢氣處理等含碳氫氧等有機物的空氣凈化處理。

有機廢氣處理特點：有機廢氣一般都存在易燃易爆、有毒有害、不溶于水、溶于有機溶劑、處理難度大的特點。在有機廢氣處理時普遍采用的是有機廢氣活性炭吸附處理法、催化燃燒法、催化氧化法、酸堿中和法、等離子法等多種原理。各種處理方法介紹如下：

1 冷凝回收法：把有機廢氣直接導入冷凝器經(jīng)吸附、吸收、解板、分離，可回收有價值的有機物，該法適用于有機廢氣濃度高、溫度低、風量小的工況，需要附屬冷凍設(shè)備，主要應用于制藥、化工行業(yè)，印刷企業(yè)較少采用。

2 吸附法：(1)直接吸附法：有機廢氣經(jīng)活性炭吸附，可達95%以上的凈化率，設(shè)備簡單、投資小，但活性炭更換頻繁，增加了裝卸、運輸、更換等工作程序，導致運行費用增加。(2)吸附-回收法：用纖維活性炭吸附有機廢氣，在接近飽和后用過熱水蒸汽反吹，進行脫附再生；本法要求提供必要的蒸汽量。(3)吸附-催化燃燒法：此法綜合了吸附法及催化燃燒法的優(yōu)點，采用新型吸附材料(蜂窩狀活性炭)吸附，在接近飲和后引入熱空氣進行脫附、解析，脫附后廢氣引入催化燃燒床無焰燃燒，將其徹底凈化，熱氣體在系統(tǒng)中循環(huán)使用，大大降低能耗。本法具有運行穩(wěn)定可靠、投資省、運行成本低、維修方便等特點，適用于大風量、低濃度的廢氣治理，是目前國內(nèi)治理有機廢氣較成熟、實用的方法。

3 直接燃燒法：利用燃氣或燃油等輔助燃料燃燒，將混合氣體加熱，使有害物質(zhì)在高溫作用下分解為無害物質(zhì);本法工藝簡單、投資小，適用于高濃度、小風量的廢氣，但對安全技術(shù)、操作要求較高。

4 催化燃燒法：把廢氣加熱經(jīng)催化燃燒轉(zhuǎn)化成無害無臭的二氧化碳和水;本法起燃溫度低、節(jié)能、凈化率高、操作方便、占地面積少、投資較大，適用于高溫或高濃度的有機廢氣。

5 吸收法：一般采用物理吸收，即將廢氣引入吸收液進凈化，待吸收液飽和后經(jīng)加熱、解析、冷凝回收;本法適用于大氣量、低溫度、低濃度的廢氣，但需配備加熱解析回收裝置，設(shè)備體積大、投資較高。

6 納米微電解氧化法：納米微電解凈化技術(shù)采用納米級加工的壓電性材料，在具有一定濕度的情況下，可以通過微電解電場產(chǎn)生納米微電解材料的電性吸附并釋放出大量羥基負離子對氣體中的需氧類污染物進行凈化，不僅可以去除空氣中大部分有機物，而且還能分析如氨氮、硫化氫等無機臭氣。

7 等離子法：等離子體是由克魯克斯在1879年發(fā)現(xiàn)的，1928年美國科學家歐文·朗繆爾和湯克斯（Tonks）首次將“plasma”一詞引入物理學，用來描述氣體放電管里的物質(zhì)形態(tài)。是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，它是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。等離子體是一種很好的導電體，利用經(jīng)過巧妙設(shè)計的磁場可以捕捉、移動和加速等離子體。等活性粒子可與各種污染物如CO、HC、NOX、SOX、H2S等發(fā)生作用，轉(zhuǎn)化為 CO2、H2O、N2、S、SO2等無害或低害物質(zhì)，從而使廢氣得到凈化。它可促使一些在通常條件下不易進行的化學反應得以進行，甚至在極短時間內(nèi)完成，故屬低濃度VOCs治理的前沿技術(shù)。

8 光催化氧化法是在一定波長光照下，利用催化劑的光催化活性，使吸附在其表面的VOC發(fā)生氧化還原反應，最終將有機物氧化成CO2和H2O及無機小分子物質(zhì)。

利用UV紫外線光束照射有機廢氣，裂解氣體中VOC類，苯、甲苯、二甲苯的分子鏈結(jié)構(gòu)，使有機或無機高分子化合物分子鏈，在高能紫外線光束照射下，裂解轉(zhuǎn)變成低分子化合物，如CO2、H2O等。在UV紫外線光束分解空氣中的氧分子產(chǎn)生游離氧，因游離氧所攜帶正負電子不平衡，所以與氧分子結(jié)合，進而產(chǎn)生臭氧，臭氧具有極強的氧化作用，對揮發(fā)性的有機氣體有極強的清除效果。

根據(jù)有機廢氣的風量及濃度的高低，選擇光解催化凈化設(shè)備，為使設(shè)備達到處理效果及使用壽命，廢氣源必須經(jīng)過預處理，除去酸性氣體后再進入凈化設(shè)備。酸性氣體易溶于水，故預處理工藝可選擇水洗裝置。具體工藝流程如下：

水洗裝置主要分為霧化區(qū)、洗滌區(qū)、脫水除霧區(qū)。霧化區(qū)布有多組霧化噴頭，噴射面覆蓋整個過濾截面，噴射液滴較小和雜質(zhì)的接觸性能好，起預過濾作用，去除雜質(zhì)的同時對后續(xù)的洗滌區(qū)也起了補充布水的作用；酸性氣體等易溶于水的氣體在洗滌區(qū)在多次通過液膜的過程中被去除，起到高效過濾的作用，而后有機廢氣再經(jīng)水洗裝置的脫水除霧區(qū)去除體積較大的液滴或水霧，再進入后續(xù)的凈化裝置，設(shè)備對酸性氣體總凈化效率高達95%以上。

光解催化凈化設(shè)備主要由光解技術(shù)和催化氧化技術(shù)組合而成。UV高效光解凈化技術(shù)是利用高能高臭氧UV紫外線光束分解空氣中的氧分子產(chǎn)生游離氧，因游離氧所攜帶正負電子不平衡，所以與氧分子結(jié)合，進而產(chǎn)生臭氧，UV+O2→O-+O（游離氧）；O+O2→O3(臭氧)，臭氧對有機物具有極強的氧化作用。UV高效設(shè)備采用高能紫外線放電管，光子能量高達742KJ/mol和647KJ/mol，要裂解切斷污染物分子的分子量的分子鍵，需使用發(fā)出比污染物分子的結(jié)合能強的光子能。主要有化學分子結(jié)構(gòu)能見下表。

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由上表可知，大多數(shù)化學物質(zhì)的分子結(jié)合能比高效紫外線的光子能低，能被有效分解。

以苯分子的光解機理為例，苯（C6H6）是最簡單的芳香烴，常溫下為一種無色、有甜味的透明液體，并具有強烈的芳香氣味。苯難溶于水，易溶于有機溶劑，也可用為有機溶劑，苯分子鍵結(jié)合能150KJ/mol。

高能紫外線647KJ/mol的分解力去裂解苯分子鍵結(jié)合能150KJ/mol，苯環(huán)將被輕易打開，形成離子狀態(tài)的C-C+和H-H+并極易分別與臭氧發(fā)生氧化反應，將苯分子最終裂解氧化生成CO2和H2O.。常見的廢氣污染物化學性質(zhì)及物質(zhì)光解氧化轉(zhuǎn)換見下表。

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催化氧化技術(shù)是在設(shè)備中添加納米級活性材料，在紫外光線的作用下，產(chǎn)生更為強烈的催化降解功能。納米活性材料光生空穴的氧化電位以標準氫電位為3.0V，比臭氧的2.07V和氯氣的1.36V高許多，具有很強的氧化性。在光照射下，活性材料能吸收相當于帶隙能量以下的光能，使其表面發(fā)生激勵而產(chǎn)生電子（e-）和空穴（h+）,這些電子和空穴具有極強的還原和氧化能力，能與水或容存的氧反應，迅速產(chǎn)生氧化能力極強的氫氧根自由基（·OH）和超級陰氧離子（·O2-）。

.OH具有很高的氧化電位，是一種氧化基團，能氧化大多數(shù)的有機污染物中的電子，使原本不吸收光的物質(zhì)直接氧化分解。

大多數(shù)揮發(fā)性的有機化合物在這種紫外光能和納米活性催化氧化的共同作用下，能在2-3秒時間內(nèi)被充分降解，光解催化氧化技術(shù)對揮發(fā)性有機廢氣污染物具有較高的去除效率，具有如下特點：（1）凈化的徹底性：光觸媒是分解污染物而不是吸附污染物，發(fā)生的是質(zhì)變而不是量變；對污染物具有不可逆的徹底分解；（2）凈化的廣泛性：幾乎所有的細菌、病毒和有機污染物起到強效分解作用，特別是對人們不易感知的細菌和病毒進行徹底分解；（3）凈化的安全性：最終產(chǎn)物是二氧化碳和水，對人體無害，不會產(chǎn)生類似消毒劑對環(huán)境產(chǎn)生的二次污染。

因此，會在未來的有機廢氣處理中，光解催化氧化技術(shù)將發(fā)揮重要作用。

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