揮發(fā)性有機物治理技術(shù)研究進展

李柏志

(葫蘆島市核與輻射安全監(jiān)督監(jiān)測中心，遼寧 葫蘆島 125000)

揮發(fā)性有機物(Volatile Organic Compounds，VOCs)是多種物質(zhì)的總稱，一般認為是指沸點在50℃至260℃之間、室溫下飽和蒸氣壓超過133.32Pa，常溫下以蒸汽形式存在的一類有機物。主要包括非甲烷總烴(烷烴、烯烴、炔烴、芳香烴)、含氧有機化合物(醛、酮、醇、酯、醚等)、鹵代烴、含氮有機物、含硫有機物等。

VOCs的危害主要體現(xiàn)在大多數(shù)VOCs具有生物毒性，部分VOCs有致癌、致突變、致畸作用(如苯、多環(huán)芳烴、甲醛等)；同時VOCs能夠參與大氣光化學(xué)反應(yīng)，對氣溶膠中有機組分具有顯著的貢獻，是PM2.5的重要前體物之一，是霧霾、光化學(xué)煙霧的主要形成原因之一。

1 VOCs的人為來源

1.1 工業(yè)源

工業(yè)活動產(chǎn)生的揮發(fā)性有機物(VOCs)排放排放強度大、濃度高、種類多，是VOCs的最主要來源。其中VOCs排放最多的行業(yè)主要有包裝印刷、煉油與石化、裝備制造業(yè)涂裝、化學(xué)化工、半導(dǎo)體及電子設(shè)備制造、醫(yī)藥化工、塑料/橡膠制品生產(chǎn)、人造革、人造板、服裝干洗等。2015年10月開始執(zhí)行的《揮發(fā)性有機物排污試點辦法》確定石油化工行業(yè)和包裝印刷行業(yè)為試點行業(yè)開始征收排污費。

1.2 生活源

近年來，隨著裝潢業(yè)的發(fā)展，室內(nèi)空氣污染問題更多的關(guān)注。雖然建材釋放的VOCs量相對于工業(yè)源低很多，但是由于室內(nèi)的相對密閉性，擴散條件較差，與人體接觸時間長，產(chǎn)生的健康危害甚至很大。

2 VOCs控制技術(shù)

VOCs的控制技術(shù)主要分為回收技術(shù)和分解技術(shù)?；厥占夹g(shù)適用于有回收價值或較易回收的VOCs，是通過升降環(huán)境溫度、增減壓力等物理特征，或采用選擇性吸附劑和選擇性滲透膜等物理化學(xué)方法在不改變VOCs物質(zhì)的情況下回收有機物的技術(shù)，主要有吸附技術(shù)、低溫冷凝技術(shù)及膜分離技術(shù)等。分解技術(shù)是通過化學(xué)反應(yīng)，將VOCs轉(zhuǎn)變成為CO2和H2O等無毒害小分子化合物的方法，主要有直接燃燒和催化燃燒、生物氧化、低溫等離子體破壞和光催化氧化技術(shù)等。

2.1 回收技術(shù)

2.1.1 低溫冷凝技術(shù)

低溫冷凝技術(shù)是通過采用降低系統(tǒng)溫度或提高系統(tǒng)壓力，使處于蒸氣狀態(tài)的污染物變?yōu)橐合鄰膹U氣中分離的方法，適用于高濃度的有機溶劑蒸氣的凈化。但完全依賴?yán)淠ㄈコ袡C廢氣耗能較高，處理污染物含量較低的廢氣經(jīng)濟性較差。所以一般在有機廢氣治理中，通常采用冷凝和其他工藝聯(lián)用的方式，首先用常溫水或低溫水對高濃度的廢氣首先進行冷凝回收，冷凝后的尾氣再通過吸附等方式回收或焚燒生物等方式分解去除。這種綜合了經(jīng)濟性和系統(tǒng)負荷的工藝組合具有較好的適用性。

2.1.2 吸附技術(shù)

吸附技術(shù)是指利用不同固相吸附劑對不同氣態(tài)物質(zhì)中吸附能力不同的原理分離氣體混合物的方法。被吸附物體在通過填滿吸附劑的固定容器后被吸附劑捕獲并富集，再通過解析回收被吸附物。該方法主要適用于低濃度氣態(tài)污染物的凈化。吸附技術(shù)是適應(yīng)性最強、應(yīng)用最為廣泛的VOCs治理技術(shù)?，F(xiàn)階段吸附設(shè)備和工藝已基本成熟定型，吸附性能的優(yōu)劣主要取決于吸附劑的性能。

目前常用吸附劑有活性炭、分子篩、硅膠等。其中活性炭是最為常用的吸附劑，適用于大部分污染物的吸附凈化。形態(tài)上主要有顆粒、蜂窩狀纖維狀三種。蜂窩狀活性炭床層空氣動力學(xué)性能較好，適用于低濃度、大風(fēng)量有機廢氣的治理?；钚蕴坷w維表面積更大，具有吸收效率高、脫附簡單的優(yōu)點，主要應(yīng)用于液相溶劑回收?；钚蕴吭偕^程簡單，一般采用高溫水蒸氣為再生劑。分子篩吸在污染物治理中得到了越來越多的應(yīng)用。分子篩的吸附性能較活性炭低，但熱氣流再生時安全性較好。顆粒硅膠是一種大孔吸附劑，吸附容量很高，吸附熱值低，適用于高濃度有機物的吸附目前在高濃度油氣回收領(lǐng)域應(yīng)用較多。

2.1.3 膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)是利用膜的選擇透過性使VOCs得以分離出來的方法[19]。膜分離技術(shù)最早用于汽油回收，之后逐漸用于石化工業(yè)中的芳香族化合物、氯等分離回收。膜分離技術(shù)較適用于高濃度VOCs處理，膜分離回收技術(shù)回收效率最高可達到90%，適用于低沸點難處理VOCs。

2.2 分解技術(shù)

2.2.1 燃燒技術(shù)

燃燒法是利用絕大部分VOCs可以燃燒的特性，使廢氣變成無機小分子，這種方法包括直接高溫燃燒和催化燃燒。直接燃燒的過程中，一般需將反應(yīng)爐內(nèi)溫度控制在1100℃以上，確保VOCs的去除率95%以上，同時避免二噁英類物質(zhì)合成。維持較高溫度需要較高的耗能，學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，合適的催化劑的存在可以使VOCs在較低的溫度即達到較高的去除率，這種燃燒方法稱作催化燃燒法。當(dāng)催化劑使用鉑、鈀等貴金屬時，一般250℃～500℃條件下，VOCs即能達到較好的去除效果。但廢氣的實際組成非常復(fù)雜，其中粉塵、硫化合物、氮化合物會造成催化劑中毒，使催化劑降低甚至喪失催化性能。

2.2.2 生物技術(shù)

生物法是利用以自然界的生物作用為基礎(chǔ)，經(jīng)過人工培養(yǎng)選育優(yōu)勢種群，通過生化作用去除污染物的一類方法。近年來逐步被應(yīng)用于有機污染物的治理領(lǐng)域。生物法具有設(shè)備簡單，投資及運行費用低，無二次污染等優(yōu)點，但同時具有降解速率低的問題，一般認為在低濃度有機廢氣時有較好的應(yīng)用。高效菌種的研究和生物附著填料的開發(fā)是其主要的開發(fā)方向。

2.2.3 光催化技術(shù)

光催化技術(shù)是催化氧化的一種，是指光催化劑將接觸的VOCs氧化成CO2和H2O的一類方法。光催化氧化過程反應(yīng)速率慢、光子效率低是其主要問題，研究表明，凈化速率于催化劑的性能和光源的性能有關(guān)。目前研究最多的催化劑為TiO2。在紫外光源下具有較好的催化效果(如185、254、365nm)但值得注意的是，反應(yīng)條件控制不當(dāng)?shù)那闆r下，對VOCs的光催化氧化反應(yīng)會產(chǎn)生醛、酮、酸和酯等二次污染物。光催化氧化技術(shù)對低濃度的VOCs處理較為有效。受限于光催化劑的催化速率問題，該方法主要停留在實驗室階段。

2.2.4 低溫等離子體凈化技術(shù)

低溫等離子體凈化技術(shù)是利用高壓脈沖放電在常溫常壓下獲得高能電子、離子和自由基等活性粒子與污染物分子碰撞結(jié)合，使其處于激發(fā)態(tài)，當(dāng)其獲得能量大于化學(xué)鍵能量時，使化學(xué)鍵斷裂，從而轉(zhuǎn)化為CO2、H2O、SO2等無害或低害物質(zhì)，從而使廢氣得到凈化的方法。不同的化學(xué)鍵打開需要的能量各不相同，能量不足時，大分子化合物形成小分子化合物，反而有可能形成危害更大的化合物。惡臭氣體主要由硫化物造成，研究表明C-S和S-H化學(xué)鍵鍵能較低，低溫等離子體技術(shù)對于臭味的凈化具有較好的效果。同時實驗發(fā)現(xiàn)，低溫等離子體技術(shù)對于苯系物的凈化效果也較好，在適宜條件下，對甲苯的凈化效率可達60%～70%。等離子體技術(shù)具有動力消耗低、經(jīng)濟性好、結(jié)構(gòu)簡單無需預(yù)處理等優(yōu)勢，但是其作用機制的研究還不夠透徹，對于化學(xué)鍵能較高的化合物凈化效率較低，開發(fā)高能等離子體，提高系統(tǒng)效率是目前的主要研究方向?？偟膩碚f，低溫等離子體技術(shù)具有非常廣闊的前景。

3 結(jié)論

VOCs的種類繁多，化學(xué)性質(zhì)有很大差別，在選擇治理技術(shù)時，要根據(jù)污染物特征，綜合技術(shù)性和綜合性選擇適宜的治理技術(shù)。技術(shù)層面主要考慮廢氣性質(zhì)，如VOCs的組分、溫度壓力等，排放要求等；在經(jīng)濟性上主要考慮初始投資、運行費用和折舊等。

一般認為體積分?jǐn)?shù)高于1%的VOCs為高濃度有機廢氣，如有機廢氣具有回收價值，建議進行有機物的回收。實際中通常首先采用冷凝(冷凍)技術(shù)回收廢氣中的有機物，再通過焚燒等技術(shù)進一步分解去除殘留。對于體積分?jǐn)?shù)低于0.1%的VOCs，通常采用吸附濃縮技術(shù)、生物技術(shù)、低溫等離子體技術(shù)、吸收技術(shù)等直接去除。

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