二甲苯廢氣凈化處理技術(shù)的研究

王進(jìn)

（安徽拓維檢測服務(wù)有限公司，安徽 宣城 242000）

從光催化理論誕生以來，許多科學(xué)家做了大量的研究工作：氣體處理中的光催化研究已推廣到實際技術(shù)，但仍停留在室內(nèi)空氣凈化、除臭、殺菌等方面，在工業(yè)廢氣上的應(yīng)用還相對較少。在控制氣體的分布、流動、停留時間及有效碰撞等方面，工業(yè)廢氣中的有機(jī)物質(zhì)含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于內(nèi)部氣體，廢氣管理困難，油漆及絕緣行業(yè)中苯系物質(zhì)含量高，處理困難。光催化是一種高效、經(jīng)濟(jì)的空氣污染物控制技術(shù)，有處理設(shè)備低、操作簡單、成本低等優(yōu)點。將反應(yīng)器按催化劑的現(xiàn)狀劃分為懸浮式反應(yīng)器，在改進(jìn)封裝反應(yīng)器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，開發(fā)出涂層型催化劑和包覆型反應(yīng)器。后者主要用來處理氣體雜質(zhì)，需在以多孔光導(dǎo)材料為載體的涂層催化劑上進(jìn)行催化分離。

一、降解處理技術(shù)

工業(yè)處理二甲苯廢氣方法，目前可分降解與回收技術(shù)，降解處理技術(shù)主要有燃燒法、光解法、生物法、電暈法、等離子法等，回收技術(shù)主要有吸收法、膜離法、吸附法等。選擇的方法取決于二甲苯的濃度，清潔要求和利潤。

二、光催化方法在二甲苯廢氣凈化處理中的應(yīng)用

鑒于二甲苯廢氣處理方法的多樣性，為便于人們了解，本文著重對光催化方法在二甲苯廢氣中的凈化進(jìn)行了系統(tǒng)論述。

（一）實驗試劑和儀器

二甲苯；環(huán)己烷；大氣采樣儀；752型分光光度計；QDF-3型風(fēng)速儀；≤20nm納米TiO2；普通TiO2；256～265rm紫外光源；QS-05B型臭氧機(jī)；HL3-2A-25A型風(fēng)機(jī)。

（二）實驗流程及反應(yīng)器構(gòu)造

水浴蒸發(fā)的氣體含有一定量的二甲苯，可到達(dá)臭氧發(fā)生器。在混合室內(nèi)，臭氧發(fā)生器產(chǎn)生一定量的臭氧，與二甲苯完全混合后進(jìn)入光催化反應(yīng)器，負(fù)載型催化劑與氧和臭氧共同參與紫外光下二甲苯的降解。從理論上講，反應(yīng)結(jié)束后，最終的產(chǎn)物為H2O和CO2。

根據(jù)工程實際運行情況，為了防止污染空氣泄漏對環(huán)境的影響，一般假設(shè)風(fēng)機(jī)處于負(fù)壓狀態(tài)，將風(fēng)機(jī)安裝在尾部，以增加整個系統(tǒng)的風(fēng)量控制。

采用2.5m×1.2m×0.42m的矩形光催化反應(yīng)器，將催化劑載體和光源均勻放置。催化劑通過潤濕和拉伸作用于載體上，其平均負(fù)載量為40g/m3。載體為多孔結(jié)構(gòu)，載體之間存在較大的空隙。氣液垂直地向載體運動，并進(jìn)行垂直地和平行地擴(kuò)散，形成湍流狀態(tài)的氣流，增加了與催化劑的接觸速率。

（三）分析定位和測試方法

檢查分析包括二甲苯的進(jìn)出口。測定方法為紫外分光光度法。環(huán)己烷和二甲苯都是易揮發(fā)、易吸收的液體，因此作為吸收液，采樣時間為10min，采樣數(shù)據(jù)為0.5l/min，為了減少實驗誤差，應(yīng)盡可能快速準(zhǔn)確地進(jìn)行測量。

在同一水溫下，不同濃度的進(jìn)口二甲苯受水溫的影響，其濃度會發(fā)生變化。試驗結(jié)果表明，整機(jī)密封狀況良好，前后采樣點風(fēng)量基本一致，風(fēng)機(jī)送風(fēng)對二甲苯濃度無影響。

三、結(jié)果與討論

（一）催化劑類型對去除效果的影響

對同一工況（即相同的輸入濃度、風(fēng)速、溫度和光照強(qiáng)度）進(jìn)行了對比試驗。每日對5組數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，取平均值作為每日平均。

標(biāo)準(zhǔn)TiO2對二甲苯的降解率相對較低，維持在60%左右，而納米TiO2對二甲苯的降解率極高，穩(wěn)定后10天，整個體系的降解率基本保持在85%以上，處理效率未見改變，說明TiO2對二甲苯具有良好的催化性能，且催化性能非常穩(wěn)定。

按照 Scherrer公式，用彎曲峰的半高寬和彎曲角（20）計算出催化劑的粒徑約為4.85 RM，大大小于常規(guī)TiO2。二氧化鈦是一種N型半導(dǎo)體材料，在催化過程中，在光的作用下產(chǎn)生大量電子和空穴，使水中的有機(jī)污染物和二氧化碳保持較強(qiáng)的氧化活性。隨TiO2顆粒大小的減小，電子和孔洞越多，催化效果越好。其主要原因是納米TiO2對二甲苯的降解率比普通TiO2高得多。

針對納米TiO2催化劑的催化性能比普通TiO2催化劑好的特點，將納米TiO2催化劑應(yīng)用于后續(xù)實驗。

（二）光源強(qiáng)度對去除效果的影響

本試驗所用紫外線光源強(qiáng)度為100W；10=1000W。通過將納米TiO2放入500m3/h的空氣中，并在808451臭氧作用下，考察光強(qiáng)度對降解效率的影響。若10個燈，5個燈，全部關(guān)掉，系統(tǒng)每10天運行一次，每天測量5組數(shù)據(jù)，平均值作為當(dāng)天的降解效率。

在整個反應(yīng)過程中，紫外光為二氧化鈦提供能量，通過電子和空穴，產(chǎn)生新的光。從理論上說，不管電子和空穴的強(qiáng)度如何，都能刺激它們的產(chǎn)生；只要有一定波長的光能，如果所有的燈都開啟，一半的燈都關(guān)閉，傳輸速度就會稍微下降。原因在于整個反應(yīng)堆的光線分布不均，不會導(dǎo)致反應(yīng)堆的某些區(qū)域有紫外線輻射或微弱紫外線輻射，從而導(dǎo)致放電速率下降。光強(qiáng)的變化不影響光強(qiáng)的變化，只要光強(qiáng)分布均勻，輻射范圍沒有明顯變化。但是，如果所有的燈都關(guān)掉了，傳輸速度仍然是80%左右，這主要是因為催化劑表面保留了大量的空穴和電子。在反應(yīng)器中臭氧吸收的許多紫外光可以為催化劑提供能量，使其產(chǎn)生電子和空穴，還可以使二甲苯吸附在一些氣體中。當(dāng)體系繼續(xù)運行時，吸附量逐漸達(dá)到飽和，催化劑表面電子數(shù)和空穴數(shù)減少，反應(yīng)逐漸停止，導(dǎo)致降解速率明顯下降，經(jīng)10天后，最終恢復(fù)到10%，這充分說明紫外光對反應(yīng)的重要性，紫外光的波長而非強(qiáng)度與反應(yīng)有密切關(guān)系。

為確保整個系統(tǒng)的均勻布光，在隨后的實驗中使用了10盞紫外燈，總光源強(qiáng)度為10×100W=1000W。

（三）臭氧對去除效果的影響

臭氧氣對系統(tǒng)降解的影響與其發(fā)生器的啟動和關(guān)閉有關(guān)。在相同的輸入濃度、流量、紫外強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)條件下，系統(tǒng)對臭氧的去除率為82.6%，而在關(guān)閉臭氧的情況下，去除率為77.4%。

實驗表明，臭氧對降解過程影響不大。臭氧等強(qiáng)氧化劑在理論上也參與了二甲苯的降解。但在光催化過程中，反應(yīng)器內(nèi)大量的紫外光是必不可少的，臭氧對紫外光有一定的吸收和屏蔽作用，在一定程度上削弱了臭氧對整個系統(tǒng)的降解作用。

（四）風(fēng)量對去除效果的影響

因為整個系統(tǒng)依賴于連接在尾部的風(fēng)扇，以保證排氣與催化劑之間的接觸，所以氣量受排氣與催化劑之間的接觸速度和接觸時間的影響。

隨著氣量的增加，反應(yīng)器內(nèi)殘余氣體不斷減少，降解率從92.9%持續(xù)下降至84.3%，說明風(fēng)量仍然對降解過程產(chǎn)生重要影響。

四、結(jié)束語

納米TiO2由于其獨特的粒徑，其處理效率明顯優(yōu)于普通TiO2，是實際應(yīng)用的首選催化劑。UV是反應(yīng)的基本參數(shù)之一，它的強(qiáng)度對透過率的影響很小，但必須保證反應(yīng)器內(nèi) UV與催化劑充分接觸，使廢氣得到凈化。在實際應(yīng)用的設(shè)備設(shè)計中，以風(fēng)量和入口濃度為關(guān)鍵點，臭氧的存在雖然有助于提高降解率，但也有屏蔽紫外線的作用，對降解率有一定的影響。若反應(yīng)器尺寸固定，加氣量較大，則處理效果較差。但由于風(fēng)量太小，不能實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，所以在實際應(yīng)用中應(yīng)考慮這一問題。其中，輸入濃度即反應(yīng)器濃度負(fù)荷也是設(shè)計的重點之一。入口濃度直接影響污染物分子與催化劑之間的接觸，負(fù)載過低或過高都無法達(dá)到最佳降解效果。研究了催化劑種類、紫外光強(qiáng)度、臭氧、空氣容量、反應(yīng)器負(fù)荷等因素對二甲苯去除率的影響。采用納米二氧化鈦作催化劑，紫外光強(qiáng)度達(dá)1000W，光分布均勻，空氣流量1000m3/h，進(jìn)料濃度350 mg/m3，臭氧進(jìn)料，二甲苯平均降解率達(dá)90%以上。