膜法在廢氣處理中的應(yīng)用

孫永嘉 費(fèi)正連 王飛

摘? 要：簡(jiǎn)要介紹了含硫廢氣和有機(jī)廢氣的來(lái)源與危害。較詳細(xì)地論述了中空纖維膜法、雙極膜法處理含硫廢氣，中空纖維膜法主要是使用利用膜上的微孔將氣、液兩相分隔開(kāi)來(lái)，并利用吸收劑吸收煙氣中的硫;雙極膜法主要利用電能為推動(dòng)力去除硫。吸收膜法、選擇性分離膜法、傳質(zhì)分離膜法處理有機(jī)廢氣，主要利用吸收劑吸收廢氣中的有機(jī)物、膜對(duì)氣體的選擇性分離、不同物質(zhì)在膜中的傳遞速度不同而處理有機(jī)廢氣。

關(guān)鍵詞：含硫廢氣? 有機(jī)廢氣? 膜法

Abstract： The sources and hazards of sulfur waste gas and organic waste gas were briefly introduced. The hollow fiber membrane method and bipolar membrane method are discussed in detail. The hollow fiber membrane method separates the gas and liquid phases by using micropores in the membrane， and to absorb the sulfur in the flue gas by using absorbent. The bipolar film method mainly uses electric energy as the driving force to remove sulfur. The absorption membrane method， selective separation membrane method and mass transfer separation membrane method are mainly used to treat organic waste gas， by absorbing the organic matter in the waste gas， selective separation of the gas by the membrane， and different transfer speed in the membrane.

Key Words： Sulfur waste gas; Organic waste gas; Membrane

目前世界各國(guó)都面臨著大氣污染問(wèn)題，大氣污染物不僅可以通過(guò)呼吸道和皮膚對(duì)其周圍的人造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害，同時(shí)還會(huì)造成二次污染、引起溫室效應(yīng)，改變?nèi)虻臍夂颦h(huán)境，所以廢氣的處理越來(lái)越受到大家的重視。大氣污染物主要是工業(yè)產(chǎn)生的廢氣。工業(yè)生產(chǎn)的工藝不同，產(chǎn)生的污染物種類也不同，所以不同污染物種類需要采用不同的處理工藝。

傳統(tǒng)的廢氣的處置方法有直接燃燒、催化氧化法、生物法、吸附法[1]等。膜技術(shù)在很早之前就受到大家的關(guān)注，但是最近才迅速發(fā)展起來(lái)，與傳統(tǒng)的方法相比有很多優(yōu)點(diǎn)。膜技術(shù)的主要應(yīng)用對(duì)象是流體，適用于廢氣和廢液的處理。膜技術(shù)主要采用電能、壓力或者化學(xué)位差等外界推動(dòng)力，對(duì)流體進(jìn)行分離、純化和濃縮[2]。膜技術(shù)分離效率高、工藝簡(jiǎn)單、無(wú)二次污染，因此被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。目前已有大量的研究和應(yīng)用使用膜技術(shù)進(jìn)行煙氣脫硫和處理有機(jī)廢氣。

1? 膜法脫硫

目前，粉塵/可吸入顆粒物、二氧化硫、氮氧化合物、一氧化碳、揮發(fā)性有機(jī)化合物物等成為我國(guó)大氣的主要污染物，粉塵/可吸入顆粒物、二氧化硫主要是由于煤和石油的燃燒。含硫煙氣較為典型的處理工藝：濕式拋棄工藝、濕式回收工藝和干式工藝。隨著科技與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，世界各國(guó)非常重視脫硫新技術(shù)的研究。

1.1 中空纖維膜吸收法

中空纖維膜吸收法，是利用膜上的微小細(xì)孔，利用擴(kuò)散-吸收的機(jī)理，將膜和普通的吸收過(guò)程相結(jié)合，膜對(duì)于氣體是沒(méi)有選擇性的，對(duì)于氣體中的二氧化硫的選擇性吸收主要是依靠膜另一側(cè)的吸收劑決定的。利用膜上的微小細(xì)孔給氣、液兩相間提供傳質(zhì)的場(chǎng)所[3-4]，與傳統(tǒng)的吸收過(guò)程相比，膜吸收法具有以下優(yōu)點(diǎn)：膜層是氣、液兩相的界面，氣體和吸收液不需要混合，氣、液兩相各自獨(dú)立、互不干擾;氣體和吸收液的流量、濃度可以在較寬的范圍內(nèi)變動(dòng);可以根據(jù)需求選擇膜面積，可以提供良好的氣液傳質(zhì)界面。

煙氣中的SO2可以通過(guò)膜的細(xì)孔進(jìn)入到液相的吸收劑側(cè)，并與吸收劑反應(yīng)而被吸收，煙氣中的O2、N2等其他氣體被截留在氣相中。很多學(xué)者在中空纖維膜法煙氣脫硫方面做了研究。邢鵬[5]研究了吸收劑溶液為Na2SO3或NaOH，它與溶解后的SO2反應(yīng)生成NaHSO3。使用電滲析技術(shù)，對(duì)NaHSO3進(jìn)行再生。再生過(guò)程是以電位差為推動(dòng)力，利用雙極性膜的水解離作用和離子交換膜的選擇透過(guò)性，使水解離為H+和OH-，其中OH-與NaHSO3反應(yīng)生成Na2SO3，吸收劑再生后可以再次用于SO2的吸收。

大連化物所金美芳等[6]研究了以NaOH水溶液作為吸收液脫除SO2，并對(duì)脫除效果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明中空纖維膜對(duì)SO2的脫除效果較好，其穩(wěn)定性和重復(fù)性良好。

華東理工大學(xué)熊丹柳等[7]研究了以檸檬酸鈉、亞硫酸鈉、亞硫酸氫鈉溶液為吸收液，同時(shí)研究了不同膜液濃度時(shí)膜組件對(duì)煙氣中SO2的吸收率，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，檸檬酸鈉溶液對(duì)于SO2的吸收效果較好。

由于吸收法使用的吸收劑可能是堿性的，吸收SO2后為酸性，所以要求膜材料必須耐酸堿同時(shí)具有穩(wěn)定性。

1.2 雙極膜法

雙極膜電滲析法煙氣脫硫循環(huán)使用氫氧化鈉，脫硫過(guò)程中只消耗電能，無(wú)固體廢棄物和廢液排放。同時(shí)，可以把煙氣中氣態(tài)的SO2轉(zhuǎn)變成經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高、純度很高的硫酸溶液，不僅解決了廢氣問(wèn)題，同時(shí)產(chǎn)生了純度較高的硫酸溶液，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)自主研發(fā)的雙極膜法煙氣脫硫技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)上應(yīng)用成功[8]。根據(jù)研究的監(jiān)測(cè)報(bào)告顯示，雙極膜法脫硫的SO2吸收效率在98%以上，所以排放的SO2濃度幾乎是零，完全符合國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。

膜法煙氣脫硫技術(shù)研究亟待解決的主要問(wèn)題：一是開(kāi)發(fā)運(yùn)行穩(wěn)定且價(jià)格合適的膜材料;二是開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)、高效的膜清洗劑;三是確定膜的選擇和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn);四是提高膜法脫硫的效率。此外膜是否抗污染、工藝的動(dòng)力消耗等方面，對(duì)于膜技術(shù)的應(yīng)用也非常關(guān)鍵。

2? 膜法處理有機(jī)廢氣

揮發(fā)性有機(jī)廢氣（VOCs）是指沸點(diǎn)在50℃～260℃、室溫下飽和蒸氣壓超過(guò)133.3Pa的揮發(fā)性有機(jī)化合物，其主要成分為烴類、鹵代烴、芳香烴等。環(huán)境中的有機(jī)廢氣不僅會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，產(chǎn)生光化學(xué)煙霧、形成酸雨等，對(duì)于人體的傷害也很嚴(yán)重，甚至?xí)?dǎo)致癌癥和其他疾病。VOCs處理越來(lái)越受到大家的重視，很多發(fā)達(dá)國(guó)家都頒布了相應(yīng)的法令以限制VOCs的排放，VOCs處理也是大氣污染控制中比較重要的內(nèi)容[9]。

2.1 吸收膜法

有機(jī)廢氣的組成復(fù)雜，采用膜吸收法處理有機(jī)廢氣，可以選擇性分離并回收有機(jī)廢氣。膜吸收法利用的推動(dòng)力是膜兩側(cè)的濃度差，膜對(duì)于有機(jī)廢氣沒(méi)有選擇性，主要是吸收液可以吸收有機(jī)氣體，所以對(duì)于處理有機(jī)廢氣的膜，膜的材質(zhì)必須避免有機(jī)溶劑的影響，否則有機(jī)溶劑可能會(huì)改變膜的性能，導(dǎo)致膜的傳質(zhì)過(guò)程受到影響。同時(shí)，研究出一種對(duì)膜材質(zhì)侵蝕性較小、對(duì)有機(jī)廢氣吸收能力更強(qiáng)的吸收劑，也是該法處理有機(jī)廢氣研究的一個(gè)重點(diǎn)。膜吸收技術(shù)[10-11]與其他的VOC凈化技術(shù)相比：具有穩(wěn)定的傳質(zhì)界面、比表面積大、傳質(zhì)效率高，低能耗，裝置體積小，操作穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì);可以根據(jù)需求，選擇合適的膜面積，工藝易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)操作，運(yùn)行成本低;可以回收高純度的有機(jī)物，無(wú)二次污染的風(fēng)險(xiǎn);容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

因此，開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)適用的膜材料、選擇與膜材質(zhì)兼容的高效吸收劑、優(yōu)化工藝操作參數(shù)、增強(qiáng)工藝的穩(wěn)定性是研究的重點(diǎn)，可以讓膜吸收技術(shù)更好地應(yīng)用在VOCs的治理上。

2.2 選擇性分離膜法

以壓力差為推動(dòng)力，使廢氣中的有機(jī)廢氣透過(guò)膜，膜對(duì)于廢氣中的有機(jī)物具有選擇性，該膜對(duì)有機(jī)蒸氣較空氣更易于滲透。有機(jī)物可以透過(guò)膜，從廢氣中分離出來(lái)。分離膜是由分離層和支撐層組合而成，分離層具有分離性能，而多孔支撐層具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。分離層材料一般均為具有高度選擇性的聚二甲基硅烷，能夠決定膜的分離效率，而支撐層對(duì)于膜性能的穩(wěn)定性非常重要。常用的支撐層材料為聚砜、聚醚砜、聚酰亞胺、聚偏氟乙烯。

M. Leemann等[12]采用聚二甲基硅氧烷（ PDMS） 中空纖維半滲透膜分離空氣中VOCs，發(fā)現(xiàn)二甲苯、甲苯及丙烯酸等的通量是空氣的100倍以上。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行的經(jīng)濟(jì)可行性分析，發(fā)現(xiàn)在較高VOCs濃度和較低通量下，此工藝比傳統(tǒng)工藝有較大的經(jīng)濟(jì)可行性。

選擇性膜分離技術(shù)常用于回收具有高價(jià)值的VOCs，尤其是處理鹵化碳?xì)浠衔?，較其他技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)在世界上已有近60套膜分離VOCs的裝置。在美國(guó)大部分裝置用來(lái)回收CFCs、HCFCs、氯乙烯等高價(jià)值產(chǎn)品：在歐洲和日本主要從石油運(yùn)輸操作中，回收碳?xì)浠衔铩?/p>

2.3 傳質(zhì)分離膜法

傳質(zhì)分離法的基本原理是，膜不具有選擇性分離作用，而是在以壓力為推動(dòng)力的作用下，混合氣體中各組分透過(guò)膜的傳質(zhì)速率不同，從而分離出有機(jī)廢氣。目前多套膜分離的設(shè)備已在工業(yè)上應(yīng)用，適用于回收氣體中的VOCs。

隨著大氣污染現(xiàn)象的日益凸顯，使用膜技術(shù)能夠有效地對(duì)廢氣中的揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行回收，可以為企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。

3? 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段，膜技術(shù)已成功地用于許多領(lǐng)域，受到各行各業(yè)的重視，應(yīng)用增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域是控制水污染和大氣污染，既可以達(dá)到環(huán)保排放要求，又充分利用了資源。利用膜技術(shù)與其他工藝相結(jié)合，可以解決很多棘手的環(huán)境問(wèn)題，同時(shí)節(jié)約成本，回收有價(jià)值的資源。當(dāng)然膜技術(shù)還存在一些不足，但是隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及膜研究的深入，膜技術(shù)也會(huì)越來(lái)越成熟，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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