試論揮發(fā)性有機廢氣治理中的光催化氧化法處理技術

段 豐

（合肥清立方環(huán)保科技有限公司，合肥 230000）

改革開放以來，我國化工行業(yè)得到了飛速發(fā)展。但是，化工生產(chǎn)會產(chǎn)生大量有害氣體，如果沒有有效處理就排放到空氣中，會嚴重污染環(huán)境，導致空氣質(zhì)量下降，影響人們的正常生產(chǎn)和生活。因此，化工企業(yè)需要采取有效辦法對有害氣體進行處理，加大治理力度。有害氣體處理方法主要有直接然燒法、光催化氧化法、吸附法、催化燃燒法和冷凝法等，本文詳細研究如何利用光催化氧化法來有效處理揮發(fā)性有機氣體。

1 揮發(fā)性有機廢氣

生產(chǎn)期間，化工企業(yè)要對廢氣進行過濾、凈化和吸附，有效處理揮發(fā)性有機廢氣，從而使大分子的氣體逐漸轉化成小分子的無害無毒氣體?；どa(chǎn)會產(chǎn)生很多種廢氣，如揮發(fā)性的烴類、酯類、酮類等，它們與水不相溶或微溶于水，處理非常麻煩。

2 揮發(fā)性有機廢氣的處理方法

2.1 冷凝法

使用冷凝法處理揮發(fā)性有機廢氣時，先使用冷凝器將廢氣吸入，通過吸收、吸附、分離和冷卻等有效處理廢氣。這樣可以有效回收廢氣中的有機物，從而達到節(jié)約能源的目的。如果有機廢氣濃度很高，適合使用冷凝法，該方法在化工行業(yè)和制藥業(yè)得到普遍使用。

2.2 吸附法

吸附法主要包括吸附催化燃燒法、直接吸附法和吸附回收法。吸附催化燃燒法對催化燃燒法和吸附法進行了升級，使用的吸附介質(zhì)為蜂窩狀活性炭，在分解和脫附以后，廢氣被傳輸?shù)酱呋紵蔡帉崿F(xiàn)燃燒。催化燃燒床在燃燒時不會有火焰產(chǎn)生，凈化作用比較明顯，活性炭可以進行二次使用，從而有效降低投入成本。吸附催化燃燒法運行維護比較便利，具有較強的經(jīng)濟性和實用性。吸附回收法主要利用纖維活性炭來吸附有機廢氣，當活性炭吸收廢氣達到飽和狀態(tài)時，使用熱水蒸氣對其進行有效脫附。吸附回收法對水蒸氣量的要求比較高，可以有效實現(xiàn)纖維活性炭的脫附再生。直接吸附法操作簡便，設備不煩瑣，投入成本較低。但是，活性炭需要經(jīng)常更換，工作量比較大[1]。

2.3 直接燃燒法

直接燃燒法是指直接燃燒燃油和其他燃料，其操作非常簡單，投入成本比較低。該方法可以用于加熱有害氣體，使其直接轉化為無害氣體，然后排入空氣中。

2.4 催化燃燒法

催化燃燒法是指利用加熱催化反應，使有害氣體轉化為無害氣體再排放，其投入成本不高，操作比較簡單。

2.5 吸收法

吸收法具有較強的物理性，吸收液對廢氣進行吸收、凈化，吸收液達到飽和狀態(tài)時，可以對其進行處理后進行二次使用。該方法適合處理的有機廢氣為濃度較高、溫度較低的氣體，然而設備成本比較高。

2.6 光催化氧化法

光催化氧化法是指在常溫下，利用光的作用，將有害氣體分解成為二氧化碳、各種有機物和水等。其反應非?？?，不會產(chǎn)生任何污染，實用性較強，在化工企業(yè)中得到普遍推廣。

3 利用光催化氧化技術降解揮發(fā)性有機化合物

3.1 研發(fā)光催化劑

早期，無機氣體污染物和揮發(fā)性有機化合物主要借助寬禁帶半導體光催化劑實現(xiàn)降解。光催化氧化凈化空氣污染物的主要原理為以氧化鋅和二氧化鈦的表面反應為基礎，當時并沒有對其他催化劑進行研究。隨著科學技術的不斷發(fā)展，光催化劑種類越來越多，如無鈦基催化劑和鈦基催化劑等。二氧化鈦是鈦基催化劑的代表，有效改良了復合型二氧化鈦和純二氧化鈦。復合型二氧化鈦主要借助非金屬摻雜、貴金屬改性、過渡金屬摻雜和半導體耦合等得以實現(xiàn)；純二氧化鈦主要借助優(yōu)先暴露面、特制多孔結構、控制形狀和控制尺寸得以實現(xiàn)。如今，光催化氧化技術在產(chǎn)業(yè)化應用中依然面臨很多的問題，但是隨著光催化劑研究的不斷深入，未來其將會得到全面應用[2]。

3.2 光催化氧化降解原理

在高溫、紫外線的作用下，光氧化反應可以較好地完成。在受到裂解后，空氣中的氧氣轉化為臭氧，廢氣受到高能紫外線的作用，化學鍵出現(xiàn)斷裂，從而產(chǎn)生游離狀態(tài)基團或原子，在臭氧作用下，廢氣轉化成為水和二氧化碳。

光催化反應主要在催化劑表面進行，借助半導體光催化劑對一定波長內(nèi)的光響應性能進行反應，利用光子的作用，改變還原反應和氧化反應。例如，利用二氧化鈦進行光催化時，二氧化鈦接受特定波長的光子后，對其全部吸收，使得價帶中的電子受到激發(fā)后遷移到導帶，從而產(chǎn)生帶有負電的光生電子。價帶失去電子后，帶有正電的光生空穴產(chǎn)生。產(chǎn)生的光生電子會與空穴重新組合，也會與吸附在表面的物質(zhì)發(fā)生化學反應。光催化反應的主要原理如圖1所示。

圖1 光催化原理

3.3 工程應用

光催化氧化技術應用效果較好，其效率非常高，投入成本比較低，降解能力非常強，能源消耗比較低，在環(huán)境治理中得到普遍應用。光催化氧化技術可以有效處理揮發(fā)性有機化合物，得到人們的普遍認可。在治理大氣污染時，光催化氧化凈化技術的治理效率較高，操作比較簡單，有機廢氣影響較小，后期維護成本較低。受科學技術水平的影響，該技術目前只能應用在工業(yè)生產(chǎn)中。

3.3.1 太陽光利用率低

二氧化鈦是一種常見的催化劑，它對紫外線會產(chǎn)生響應，對可見光不會產(chǎn)生響應，使得光的利用范圍受到限制。太陽光中，紫外線占比極低，因此光催化技術不能直接使用太陽能為反應提供必要的紫外線光照。在實際操作時，需要使用紫外燈來提供必要的紫外線需求，導致能源維護費用和消耗費用上升，嚴重影響設備的穩(wěn)定運行。所以，要想提高光催化劑對光能的利用率，人們就要拓展光的利用范圍，深入研究光催化劑。人們要深入分析可見光的響應特征，借助非金屬氧化物和金屬氧化物，以二氧化鈦為基礎，使用表面修飾、貴金屬復合和離子摻雜等方法來提高光的利用率，增強催化劑的活性和穩(wěn)定性，使光催化氧化技術得到廣泛的運用。

3.3.2 催化劑失活與再生

催化劑的鈍化屬于額外支出，催化劑投入成本可以達到有機廢氣凈化設備運行成本的30%左右。催化劑的失活可以分為六種，分別是形成氣相化合物、熱分解、固-固或氣-固反應、破碎、催化劑中毒和結垢或結焦等。大量實踐證明，使用光催化劑降解揮發(fā)性有機化合物時，隨著反應時間的不斷延長，催化劑的降解性能會出現(xiàn)下降或失活的情況，造成失活的原因與其他催化劑反應失活的情況存在差異。試驗發(fā)現(xiàn)，二氧化鈦只可以與甲苯、苯以及其他有機物進行催化反應。在光催化反應時，催化劑表面附著了一些碳水化合物，使催化劑的降解效率出現(xiàn)降低甚至失活的現(xiàn)象。

隨著光催化降解揮發(fā)性有機化合物的深入，催化劑表面會附著大量累積物，最終出現(xiàn)失活，使得有些中間產(chǎn)物無法有效分解，不斷累積，影響催化劑的活性。目前，催化劑失活的影響因素無法確定。催化劑的再生受失活的影響比較明顯，人們可以使用氧化、機械或化學清洗等方法來清除催化劑的毒性。催化劑的成本和失活率，對催化劑的更換和再生起決定性作用。絕大多數(shù)揮發(fā)性有機化合物的催化劑成本較高，所以催化劑再生必須考慮經(jīng)濟性和操作是否簡便。催化劑再生方法很多，如臭氧注射、氧等離子體、化學再生、變壓和熱處理等。

3.3.3 催化劑選擇性去除

光催化技術可以有效去除揮發(fā)性有機化合物，但是工業(yè)生產(chǎn)會產(chǎn)生成分復雜的有機廢氣，有機物種類非常多，人們要根據(jù)實際情況選擇催化劑。經(jīng)過大量實踐，筆者發(fā)現(xiàn)，二氧化鈦可以有效降解二甲苯、乙苯、甲苯和氣相苯等，P25/Ce對乙苯和苯具有較好的降解作用。

3.3.4 催化劑載體

利用光催化氧化消除揮發(fā)性有機化合物時，人們需要全面考慮設備的實用性，通常不使用粉體催化劑，同時催化劑必須固定在載體上。在進行固化時，光催化劑性能會出現(xiàn)降低，主要原因是載體選擇不當或出現(xiàn)超負荷情況。一旦光催化氧化載體，就會影響催化劑的活性。所以，在選擇催化劑載體時，人們需要充分考慮載體表面積，不斷提升載體固定效果。在進行工程應用時，氣體成分和外部環(huán)境比較復雜，人們一定要全面考慮載體的穩(wěn)定性，還要考慮機械強度、抗氧化性和耐酸堿腐蝕性等。負載型二氧化鈦光催化劑使用的載體主要包括泡沫鎳、硅膠、柱撐蒙脫石、碳納米管、活性炭、玻璃纖維和玻璃等。將二氧化鈦催化劑薄膜鍍在玻璃表面，使用紫外線進行照射，促使光催化劑實現(xiàn)對苯的高效降解。人們要正確評價二氧化鈦薄膜光催化效果，受不同厚度薄膜催化劑的影響，光催化效果存在差異。使用電沉積法將二氧化鈦負載到金屬泡沫鎳表面，以保證固定效果，實踐表明，泡沫鎳可以高效吸附表面的揮發(fā)性有機化合物。如今使用的載體都存在一定缺陷，玻璃等載體表面積不大；泡沫鎳、玻璃纖維和活性炭纖維等載體機械性能不強，無法實現(xiàn)加工成型；碳納米管等載體吸收激發(fā)波長的光或者是載體不透光，會嚴重影響催化劑對光的利用和吸收。

4 結語

在治理揮發(fā)性有機廢氣時，人們要深入研究和分析光催化氧化法，該方法具有諸多優(yōu)勢?；どa(chǎn)要將環(huán)境保護放在首要位置，既要追求經(jīng)濟利益最大化，也要高度重視環(huán)境保護，促進經(jīng)濟實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，創(chuàng)造人與自然和諧相處的生態(tài)環(huán)境。