UV光催化處理VOCs的技術(shù)要點(diǎn)探析

成志明 張海鷹 林吉凡

摘 要：對(duì)于低濃度大風(fēng)量的VOCs處理，目前廣泛采用了UV光催化處理方法，影響UV光催化效率的主要因素包括光源、催化劑、溫濕度和停留時(shí)間等，解決UV光催化處理VOCs的關(guān)鍵技術(shù)相應(yīng)地需要從光源的選擇，催化劑的優(yōu)化和設(shè)備的空間結(jié)構(gòu)改善等入手，找到UV光催化處理VOCs的技術(shù)難點(diǎn)加以突破。對(duì)于凈化設(shè)備的制造也有自動(dòng)化程度低、檢測有缺失、評(píng)價(jià)不合理等問題需要加以重視。

關(guān)鍵詞：UV光；催化；VOCs

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.025

對(duì)于低濃度大風(fēng)量的VOCs處理，目前采用最多的技術(shù)是UV光催化，應(yīng)用該技術(shù)處理廢氣的設(shè)備簡單、性價(jià)比高、運(yùn)營和維護(hù)成本低，因此它是中小企業(yè)廢氣處理的首選方法。東莞制造業(yè)發(fā)達(dá)，工業(yè)企業(yè)眾多，從東莞本地到珠三角乃至全國范圍內(nèi)的制造企業(yè)對(duì)工業(yè)廢氣凈化器的需求很大。當(dāng)前工業(yè)廢氣處理設(shè)備自動(dòng)化程度低，工業(yè)廢氣處理設(shè)備的廢氣處理監(jiān)測也還有漏洞，效果評(píng)估都不太理想。為適應(yīng)國際產(chǎn)業(yè)競爭需要，大力發(fā)展智能化的揮發(fā)性有機(jī)廢氣處理設(shè)備，采用新技術(shù)，是打破發(fā)達(dá)國家技術(shù)貿(mào)易壟斷，提升我國廢氣處理裝備和技術(shù)核心競爭力的重要基礎(chǔ)。為適應(yīng)國際產(chǎn)業(yè)競爭需要，大力發(fā)展智能化的揮發(fā)性有機(jī)廢氣處理設(shè)備，采用新技術(shù)，是打破發(fā)達(dá)國家技術(shù)貿(mào)易壟斷，提升我國廢氣處理裝備和技術(shù)核心競爭力的重要保證。

1 UV光催化的技術(shù)特點(diǎn)

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。催化氧化技術(shù)是在設(shè)備中添加納米級(jí)活性材料，在紫外光線的作用下，產(chǎn)生更為強(qiáng)烈的催化降解功能。由于作為催化劑的TiO2價(jià)格低廉，來源廣泛，對(duì)紫外光吸收率較高，抗光腐蝕性北學(xué)穩(wěn)定性和催化活性高，且沒有毒性，對(duì)很多有機(jī)物有較強(qiáng)的吸附作用，因而成為各類試驗(yàn)研究中最常用的光催化劑。為了提高催化劑的活性和適應(yīng)不同類型的廢氣處理，也經(jīng)常添加一些貴金屬鉑、鈀、釕和過渡族元素的氧化物以及稀土元素的氧化物等作為催化劑。貴金屬催化劑有很高的氧化活性和易回收等優(yōu)點(diǎn)，但是存在資源稀少、價(jià)格昂貴和耐中毒性差等一些缺點(diǎn)，目前是世界各國采用的主要催化劑類型。復(fù)合氧化物雖可改善某些光催化性能，但氧化活性仍不及貴金屬。大多數(shù)揮發(fā)性的有機(jī)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(shí)間內(nèi)被充分降解，光解催化氧化技術(shù)對(duì)揮發(fā)性有機(jī)廢氣污染物具有較高的去除效率，具有如下特點(diǎn)：

（1）廢氣凈化的徹底性：UV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(duì)污染物具有不可逆的分解；

（2）廢氣分解的廣泛性：UV光催化氧化幾乎對(duì)所有的細(xì)菌、病毒和有機(jī)污染物起到強(qiáng)效分解作用，特別是對(duì)人們不易感知的細(xì)菌和病毒進(jìn)行徹底分解；

（3）無二次污染：UV光催化氧化的最終產(chǎn)物是二氧化碳和水，對(duì)人體無害，不會(huì)產(chǎn)生類似消毒劑對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的二次污染。

對(duì)于光催化的核心問題催化劑性能，需要采取一些新的措施，比如制備大孔徑、大比表面積、高抗沖擊性能且不影響催化活性的催化劑載體，改進(jìn)廢氣凈化裝置的空間結(jié)構(gòu)，拓展TiO2光催化劑薄膜的光照應(yīng)用范圍，進(jìn)一步提高復(fù)合型催化劑性能，重點(diǎn)研制新型催化劑及如何防止催化劑的失活和中毒等。

光催化反應(yīng)面臨的問題主要有催化劑失活、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)較小、不可預(yù)測的反應(yīng)機(jī)理等，同時(shí)濕度能抑制光催化速率，尤其是有機(jī)廢氣濃度較大時(shí)，這種影響更為明顯，因此限制了光催化技術(shù)在處理濕度較大的廢氣方面的應(yīng)用。由于納米材料本身對(duì)有機(jī)物具有氧化作用，納米材料與粘結(jié)劑的耐光催化性、載體的催化活性包括失活后的再生問題及膜的牢固性仍然是光催化技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)難題。

2 影響UV光催化處理效果的主要因素

通過一年多的設(shè)備改進(jìn)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，我們主要從影響UV光催化治理VOCs效率的幾個(gè)主要因素UV波長，起始溫度，初始濃度，相對(duì)濕度，停留時(shí)間，反應(yīng)介質(zhì)等進(jìn)行研究，找到最佳反應(yīng)效率和最低能耗。

（1）廢氣濃度的影響：UV光催化治理VOCs適合的應(yīng)用范圍主要包括噴涂車間、印刷、電子、制藥、食品等行業(yè)產(chǎn)生的低濃度有機(jī)廢氣，對(duì)于20-200PPM以下的濃度效果較好，隨著VOCs濃度增高，降解效率也會(huì)隨之降低。目前廣泛采用的是185 nm和254 nm兩個(gè)波段的真空紫外燈，這是由于真空紫外燈發(fā)射的紫外線能量強(qiáng)度有限，單位時(shí)間內(nèi)光解能量不足，效率下降。所以單純的增加燈管的數(shù)量是無法解決高濃度有機(jī)氣體問題，紫外光解技術(shù)不適合中高濃度VOCs氣體。

（2）相對(duì)濕度低的影響：對(duì)于一定的濕度條件下，氧氣吸收了大部分185nm紫外光，但是隨著濕度的進(jìn)一步增加，一部分是水蒸氣與氧氣競爭吸收185nm波長的紫外光，水蒸氣吸收了更多的185nm紫外光，同時(shí)產(chǎn)生更多羥基自由基。水蒸氣與活性氧反應(yīng)生成羥基自由基，羥基自由基的氧化性要強(qiáng)于臭氧和活性氧，從而光解的速度明顯加快，促進(jìn)單位時(shí)間內(nèi)對(duì)于廢氣去除率的增加，試驗(yàn)證明相對(duì)濕度在30-65%這個(gè)范圍，光解效率是上升的，相對(duì)濕度超過70%后隨之逐漸下降。

（3）風(fēng)速和絕對(duì)濕度差的影響：大量實(shí)驗(yàn)證明風(fēng)速越大，水蒸氣進(jìn)出口的絕對(duì)濕度差越小，這也就是說風(fēng)速越大，羥基自由基產(chǎn)生量的絕對(duì)值也會(huì)越少。因此在風(fēng)速小的工況下，羥基自由基對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物VOCs的貢獻(xiàn)大，風(fēng)速大的工況下，羥基自由基對(duì)有機(jī)物降解的作用就會(huì)變得十分有限。在設(shè)備測試中，風(fēng)速在低于2m/s的時(shí)候，反應(yīng)效果好，大于6 m/s的時(shí)候，水蒸氣進(jìn)出口的絕對(duì)濕度差非常小，光催化效率極低。在一定的設(shè)備空間內(nèi)，風(fēng)速同時(shí)影響了停留時(shí)間，一般停留時(shí)間增加，廢氣的去除效率有明顯增高。原因是停留時(shí)間增加，185 nm紫外光和有機(jī)物碰撞次數(shù)一定增加。當(dāng)停留時(shí)間達(dá)到10s后，延長停留時(shí)間，廢氣的降解效率增加并不明顯。所以在低濃度下，延長停留時(shí)間并不能等效的增加廢氣去除效率。

（4）光源的選擇和影響：目前，一般選擇185 nm和254 nm兩個(gè)波段的真空紫外燈，市場上的UV燈管質(zhì)量良莠不齊，真空紫外設(shè)備進(jìn)口的風(fēng)速影響了紫外燈的燈管表面溫度，燈管表面溫度與紫外燈的發(fā)光效率有直接關(guān)系，燈表溫高于某一數(shù)值時(shí)會(huì)直接影響其發(fā)光效率。風(fēng)速增大，臭氧濃度降低，臭氧產(chǎn)生量沒有明顯變化，說明在3m/s時(shí)真空紫外已經(jīng)被空氣中氧氣充分吸收，增大空氣進(jìn)氣量，燈管自身產(chǎn)生的臭氧量沒有明顯增加。臭氧與甲苯在自然狀態(tài)下是不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的。臭氧協(xié)同真空紫外光對(duì)很多有機(jī)廢氣是有降解效果的。254 nm的紫外光可以促進(jìn)臭氧產(chǎn)生氧自由基，從而氧化廢氣分子，臭氧在真空紫外條件下與空氣中的水蒸氣可產(chǎn)生羥基自由基，羥基自由基可氧化甲苯等廢氣。

（5）合理的設(shè)備空間布局和結(jié)構(gòu)：對(duì)于凈化設(shè)備的制造也有一些問題要注意，目前UV光催化治理VOCs設(shè)備的自動(dòng)化程度低，基本還沒有自動(dòng)檢測和監(jiān)控功能，所以對(duì)產(chǎn)品的整體效果不能夠進(jìn)行有效的效率評(píng)估。要合理的處理好催化劑的布置、數(shù)量，要準(zhǔn)確處理好透光性和氣體的流速，要進(jìn)行合理的能量匹配和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，否則，很多設(shè)備的有效去除率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

3 結(jié)論

針對(duì)影響UV光催化處理效果的主要因素，我們不能盲目夸大UV光催化處理的效果，它只是處理低濃度大風(fēng)量有機(jī)廢氣比較簡易低成本的方法，但是非終極手段，合理有效組合吸附技術(shù)、微生物等方法，也是一條好的途徑。在正確使用UV光催化的處理過程中，幾個(gè)主要因素都是設(shè)備制造商必須綜合考量，另外在自動(dòng)化方面、如何智能檢測廢氣濃度的變化以適時(shí)調(diào)節(jié)工業(yè)廢氣凈化設(shè)備的運(yùn)行工況，提高凈化效率，如何利用正交試驗(yàn)等獲得工業(yè)廢氣處理的最佳組合方式，解決一些關(guān)鍵技術(shù)問題，如UV光解的催化劑實(shí)驗(yàn)和UV燈最佳效能分析、低溫等離子的電源選擇、微生物培育、微納米氣泡發(fā)生器研制等，研制出能被市場廣泛接受工業(yè)廢氣處理裝備和檢測方法。

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作者簡介：成志明（1973-），女，湖南寧鄉(xiāng)人，碩士研究生，副教授，現(xiàn)擔(dān)任東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院制冷專業(yè)負(fù)責(zé)人，從事空氣品質(zhì)與檢測方面的研究。