VOCs有機(jī)廢氣處理技術(shù)研究進(jìn)展

王群

（南京華澤環(huán)保工程有限公司，江蘇 南京 210000）

VOCs的來(lái)源十分廣泛，主要包括人為來(lái)源和自然來(lái)源。其中，大自然中產(chǎn)生的異戊二烯化合物和其他物質(zhì)會(huì)形成VOCs有機(jī)廢氣，這種情況一般是不可控的。而人為來(lái)源主要是工業(yè)生產(chǎn)和人們的生活產(chǎn)生的VOCs有機(jī)廢氣，如煤炭燃燒、汽車(chē)排氣、噴涂、涂料的使用等。人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ?jiàn)的噴涂涂料就很容易產(chǎn)生這種廢氣[1]。

1 VOCs有機(jī)廢氣處理技術(shù)的應(yīng)用情況

1.1 VOCs有機(jī)廢氣監(jiān)控系統(tǒng)缺乏科學(xué)性、合理性

目前，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注環(huán)境保護(hù)，同時(shí)環(huán)境保護(hù)部門(mén)的監(jiān)督也越來(lái)越嚴(yán)格，且在VOCs有機(jī)廢氣的管理中發(fā)揮著非常重要作用。由于廢氣得到了有效控制，使霧霾大幅減少。但在污染嚴(yán)重的地區(qū)，監(jiān)控系統(tǒng)并不完善。因此，相關(guān)部門(mén)要加大力度改善和優(yōu)化該系統(tǒng)。

1.2 VOCs有機(jī)廢氣的組成復(fù)雜,很難處理

在日常生活中，在使用涂料等過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生VOCs有機(jī)廢氣。這些材料生成的VOCs有機(jī)廢氣，會(huì)嚴(yán)重影響人們的神經(jīng)，甚至?xí)兄掳┑奈ｋU(xiǎn)。如果只使用單一技術(shù)治理該氣體，其治理效果就不能保證[2]。因此，VOCs有機(jī)廢氣的處理需要使用各種處理技術(shù)，在實(shí)際處理過(guò)程中，為了最大限度地發(fā)揮其處理效果，需要選擇最佳的處理方案。除了要處理的VOCs有機(jī)廢氣外，還需要綜合考慮性能指數(shù)、建設(shè)運(yùn)用成本、排放標(biāo)準(zhǔn)等各種技術(shù)因素來(lái)選擇相應(yīng)的處理技術(shù)。VOCs處理技術(shù)有通用的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)，但在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，因企業(yè)排放的VOCs氣體的構(gòu)成和特性經(jīng)常存在很大的差異，因此，很難用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)涵蓋所有情況。所以，在實(shí)際處理過(guò)程中，常常需要在主要工序之前增加不同的工藝組合。

2 VOCs的處理技術(shù)

2.1 傳統(tǒng)技術(shù)方法

2.1.1 冷凝法

VOCs有機(jī)廢氣是由工業(yè)廢棄物殘?jiān)傻摹榱朔乐惯@種氣體在工業(yè)廢棄物殘?jiān)挟a(chǎn)生，可以將廢棄物殘?jiān)湃肜淠壑?，使其中的有機(jī)物在低溫作用下自動(dòng)分離，以防止VOCs有機(jī)廢氣的產(chǎn)生。該技術(shù)方法主要是基于有機(jī)氣體的特性，通過(guò)氣體溫度的下降，有機(jī)蒸汽出現(xiàn)過(guò)飽和，然后液化、回收。VOCs廢氣基本上可以通過(guò)冷凝法進(jìn)行有效的處理，但是冷凝法不能用于低濃度廢氣的處理。一般情況下，該技術(shù)主要應(yīng)用在石油化工產(chǎn)品的制造、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)雀邼舛葰怏w、低溫條件下使用，該技術(shù)的應(yīng)用效果非常顯著[3]。

2.1.2 吸附法

（1）吸附再生法。該方法主要是利用纖維活性炭和粒狀活性炭等吸附劑吸附有機(jī)廢氣，在吸附接近飽和后，為了解吸再生，使用過(guò)熱蒸汽將活性炭吹回，再將水蒸氣和解吸的三苯基氣體冷凝分離，回收三苯基液。當(dāng)廢氣與吸收液接觸時(shí)，是采用吸收液與有機(jī)廢氣相似的相容性原理從廢氣中去除VOCs，然后VOCs被化學(xué)試劑中和、氧化、化學(xué)破壞。且吸收設(shè)備的性能和吸收的質(zhì)量決定了該技術(shù)的最終效果。所以，在確保儀器性能良好的基礎(chǔ)上，可合理選擇吸收劑。吸附再生法的缺點(diǎn)在于需要的設(shè)備體積比較龐大，且工藝操作比較復(fù)雜；投資后運(yùn)行費(fèi)用較高且有二次污染產(chǎn)生，當(dāng)廢氣中有膠粒物質(zhì)等其他雜質(zhì)時(shí)，則吸附劑容易導(dǎo)致工作人員中毒。但該方法也有快速解吸、良好的結(jié)露和吸附效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此，適用于高濃度、風(fēng)量小和廢氣處理。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，該技術(shù)還需要進(jìn)一步創(chuàng)新和改進(jìn)。

（2）吸附催化氧化。當(dāng)吸附達(dá)到相應(yīng)的飽和后，可使用熱風(fēng)加熱，除去吸附中的三苯基等廢氣。而且通過(guò)吸附催化氧方法，可以實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢氣凈化處理的目的。另外，還可以回收熱氣體，實(shí)現(xiàn)再利用。通過(guò)應(yīng)用該方法，再綜合利用各種吸附方法，可以有效解決風(fēng)量大和低濃度有機(jī)廢氣的處理問(wèn)題。但該工藝存在著設(shè)備規(guī)模投入大、工藝流程復(fù)雜、成本高、二次污染等缺點(diǎn)[4]。

2.1.3 催化燃燒法

氣體凈化的目的是通過(guò)VOCs的可燃性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一般來(lái)說(shuō)，化工、絕緣材料、噴漆或其他產(chǎn)業(yè)在對(duì)VOCs廢氣進(jìn)行處理時(shí)，燃燒法多于凈化法，多以廢氣的可燃性為基礎(chǔ)，采取直接燃燒法，可用火直接燃燒。該技術(shù)操作方法簡(jiǎn)單，投資較小，因此，催化燃燒法主要用于濃度比較高、空氣量比較小的VOCs廢氣。

（1）預(yù)熱。這是催化燃燒最常見(jiàn)的方法。當(dāng)有機(jī)廢氣的溫度在100 ℃以下時(shí)，濃度低，熱量不能自給自足，因此進(jìn)入核反應(yīng)堆之前需要在預(yù)熱室加熱。而燃燒凈化后的氣體與熱交換器內(nèi)未處理的廢氣可以交換熱量、回收熱量。該技術(shù)一般可利用氣體或電加熱將溫度提高到催化反應(yīng)所需的熄滅溫度。

（2）自身熱平衡。有機(jī)廢氣的排出溫度高于起始溫度（約300 ℃左右），有機(jī)物含量較高時(shí)，換熱器的回收在正常工作時(shí)能夠保持熱平衡的熱量。一般來(lái)說(shuō)，需要將電加熱器安裝在催化燃燒反應(yīng)器中。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 催化燃燒流程圖

（3）吸附催化燃燒。當(dāng)有機(jī)廢氣流量大時(shí)，濃度低、溫度低選用催化燃燒需耗很多燃料時(shí)，可先采用吸附法將有機(jī)廢氣吸附于吸附劑上進(jìn)行濃縮，然后將有機(jī)廢氣解吸，濃縮成高濃度有機(jī)廢氣（可濃縮10倍以上），此時(shí)，再進(jìn)行催化燃燒不需要補(bǔ)充熱源而維持。隨著燃料減少，會(huì)產(chǎn)生更少的CO，但啟動(dòng)和冷卻時(shí)間卻比熱氧化系統(tǒng)少。且低溫操作可去除NOX的生成，而隨著溫度的下降，標(biāo)準(zhǔn)材料可以更換為昂貴的特殊材料，從而增加了RCO系統(tǒng)整體機(jī)械的壽命。此外，在處理鹵化物和硫化物后，會(huì)生成酸性氣體，需要清洗塔臺(tái)進(jìn)一步處理。如果廢棄物催化劑不能回收利用，也需要處理，且吸氣濃度不能超過(guò)25%[5]。在實(shí)際應(yīng)用中，催化燃燒技術(shù)的研究隨著工業(yè)生產(chǎn)迅速發(fā)展，而有機(jī)廢氣的多樣性也在不斷增加。因此，需要進(jìn)一步提高有機(jī)廢氣的處理效率，這就需要研究和創(chuàng)新催化燃燒新技術(shù)。

2.2 新興技術(shù)方法

2.2.1 膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)是利用聚合物膜的特性，通過(guò)在規(guī)定的壓力下滲透到廢氣中，分離出有機(jī)物和VOCs，但單個(gè)階段很難滿足分離要求。而新集成的膜分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)的分離是通過(guò)有機(jī)選擇膜的表面，將膜分成兩種流動(dòng)的氣體，使除去VOCs的非滲透性的純化氣體大部分直接排出，而滲透流是回收到壓縮機(jī)入口的有機(jī)水。目前，石油化學(xué)、醫(yī)藥品、食品加工和其他產(chǎn)業(yè)紛紛采用這種方法。該方法具有可以回收廢氣中高濃度、流量小、高回收價(jià)值的有機(jī)溶劑，但通常投入成本較高。

2.2.2 生物處理技術(shù)

應(yīng)用生物處理技術(shù)處理VOCs廢氣，是為了處理中、低濃度的廢氣。其優(yōu)點(diǎn)是具有處理輕度反應(yīng)條件、儀器簡(jiǎn)單、方便操作、運(yùn)營(yíng)成本低、二次污染小和不同特性混合氣體的能力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，21世紀(jì)初已有7500套設(shè)備投入運(yùn)行。而有機(jī)廢棄物處理法主要是以微生物的功能為基礎(chǔ)，利用氣體的生物學(xué)處理方法，通過(guò)分解有機(jī)廢氣中的有害物質(zhì)，將其轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳等有機(jī)物。以生物洗滌塔為例，一個(gè)為吸收，另一個(gè)為生物降解，循環(huán)液從吸收室上部噴出。日本的污水處理引入了從VOCs廢氣中去除臭氣的系統(tǒng)，其實(shí)際效率高達(dá)98%。這表明在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，用生物學(xué)方法處理VOCs廢氣的效果非常明顯，該方法也在進(jìn)行進(jìn)一步的深化研究。

2.2.3 光催化氧化法

光催化氧化法是一種新的、性能優(yōu)良的治理方法。第一，使用光分解，可以在短時(shí)間內(nèi)分解有機(jī)廢氣。在光溶解的過(guò)程中，通常會(huì)生成中間物質(zhì)，但這些物質(zhì)可以通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的光照射或氫氧化鈉溶液進(jìn)行處理。第二，光催化分解。該技術(shù)能夠通過(guò)照射TiO2，活化紫外線，使H2O生成無(wú)OH的自由基，從而將有機(jī)廢氣轉(zhuǎn)換為CO2和H2O。同時(shí)，在選擇去除有機(jī)廢氣的催化劑時(shí)，可以使用普通熒光燈作為光源，去除有機(jī)廢氣的惡臭，降低污染濃度。但就目前的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，有必要改善催化分解的技術(shù)和效果。在光催化氧化過(guò)程中還存在一些問(wèn)題，如產(chǎn)品是否會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，以及需要進(jìn)一步探索和研究的催化劑的選擇等，所以，在實(shí)際工藝中尚未應(yīng)用光催化氧化[6]。具體工藝流程如圖2所示。

圖2 光催化氧化法工藝流程圖

2.2.4 等離子處理技術(shù)

等離子體技術(shù)是指在強(qiáng)電場(chǎng)下，氣體放電形成的高能電子、離子、激發(fā)原子和自由基，最終在各個(gè)水平激發(fā)形成氧等離子體和臭氧，作用于VOCs，氧化分解成CO2、CO、H2O等小分子物質(zhì)。該方法適用于凈化低濃度（通常小于500 mg/m3）及較大空氣量的有機(jī)物，也能凈化室內(nèi)空氣。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是VOCs可以通過(guò)低溫、簡(jiǎn)單的操作和維護(hù)簡(jiǎn)單的設(shè)備及方便的開(kāi)口進(jìn)行去除，但需要注意排放安全，VOCs的去除率一般約為50%。

一般來(lái)說(shuō)，適當(dāng)?shù)奶幚砑夹g(shù)或技術(shù)組合必須要根據(jù)廢氣的濃度、流量、特性污染物的種類(lèi)和去除率的要求進(jìn)行選擇。同時(shí)，還需要綜合考慮設(shè)備費(fèi)用、運(yùn)營(yíng)成本、維護(hù)成本等因素。在化學(xué)工業(yè)中，人們一般將常見(jiàn)的物質(zhì)分為多種形態(tài)，包括固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。除此之外，還有低溫等離子體狀態(tài)，這種物質(zhì)其實(shí)是一種準(zhǔn)中性氣體。其現(xiàn)有形態(tài)主要是聚集的，許多帶正、負(fù)電荷的粒子和中性粒子。在處理低溫等離子體時(shí)，會(huì)使用大量高能電子和自由基等活性粒子。這些活性粒子會(huì)以一定的頻率轟炸臭氣分子，使廢氣成分電解破裂，發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，從而達(dá)到轉(zhuǎn)換有害氣體的目的。這種治理方法有一定的優(yōu)點(diǎn)，操作簡(jiǎn)單、對(duì)使用條件要求不高、占用空間小。該方法可以凈化99.9%的低濃度廢氣，且可用于除臭和空氣凈化。但是，該處理技術(shù)在使用中容易產(chǎn)生二次污染，處理效率不高，因此不適合高濃度的廢氣處理[7]。

2.2.5 微波催化氧化處理技術(shù)

通過(guò)微波催化氧化技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了基于傳統(tǒng)分析處理方法的處理技術(shù)的有效變革，有效地提高了廢氣處理技術(shù)水平。在VOCs有機(jī)廢氣的處理中，通過(guò)應(yīng)用微波催化氧化技術(shù)，可有效提高廢氣的處理效率，實(shí)現(xiàn)低能耗。因此，該技術(shù)在使用工藝中具有很多優(yōu)點(diǎn)，具有明顯的吸附效果，且可以多次使用。同時(shí)，如果該技術(shù)與污水處理技術(shù)有效結(jié)合，其處理效果將更加明顯。

2.2.6 納米材料凈化處理技術(shù)

近年來(lái)，有機(jī)廢氣處理技術(shù)在不斷更新，其中納米材料已經(jīng)成為凈化處理的新技術(shù)。該材料屬于超細(xì)材料，其晶體尺寸在1～100 μm之間，其表面活性較強(qiáng)，因此具有較強(qiáng)的吸附力。納米材料可以有效地將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸、二氧化碳、水等。在光的作用下，該材料在處理廢棄物時(shí)具有良好的催化效果，可有效地提高廢棄物的分解效率，因此，該材料在處理VOCs有機(jī)廢氣時(shí)具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如可用于室內(nèi)空氣的凈化。

3 發(fā)展趨勢(shì)

目前，大氣污染防治及環(huán)境保護(hù)受到全球關(guān)注，近年來(lái)霧霾天氣對(duì)人的影響較大。實(shí)際上，可以看到VOCs廢氣的組成非常復(fù)雜，各種類(lèi)型的VOCs廢氣的有機(jī)物性能差異很大，目前還沒(méi)有針對(duì)高濃度廢氣的理想處理方法。因此，基于目前我國(guó)各產(chǎn)業(yè)和領(lǐng)域排放的VOCs廢氣都具有自身特性，提出采用技術(shù)組合方法來(lái)提高廢氣中有機(jī)物的去除率[8]。在眾多有機(jī)廢氣處理技術(shù)中，VOCs處理技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景，它不具有明顯的二次污染，可以處理中低濃度中各種規(guī)模的有機(jī)廢氣。目前，由于VOCs有機(jī)廢氣處理技術(shù)受諸多復(fù)雜因素的影響，理論研究和實(shí)際應(yīng)用也不斷深入，今后的研究方向是進(jìn)行新的生物凈化工藝設(shè)備的開(kāi)發(fā)、廢氣的生物凈化技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域的詳細(xì)研究，開(kāi)發(fā)引導(dǎo)實(shí)際工程設(shè)計(jì)運(yùn)用的生物過(guò)濾過(guò)程的實(shí)用模型。詳細(xì)內(nèi)容如圖3所示。

圖3 各種VOCs治理技術(shù)的比較

4 結(jié)語(yǔ)

在處理VOCs有機(jī)廢氣時(shí)，相關(guān)企業(yè)必須選擇科學(xué)合理的處理技術(shù)，以確保廢氣在經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性及消耗低的基礎(chǔ)上達(dá)到最高的處理效率。由于VOCs的組成非常復(fù)雜，很難使用相同的處理技術(shù)達(dá)到處理效果，而且經(jīng)濟(jì)成本很高。在這種情況下，通常可以選擇合適的治理技術(shù)，進(jìn)一步再進(jìn)行詳細(xì)研究，從而有效提高VOCs有機(jī)廢氣的處理水平。