揮發(fā)性有機廢氣凈化技術研究進展

曾林輝，鐘業(yè)辛

（宜春市上高生態(tài)環(huán)境保護綜合執(zhí)法大隊，江西 宜春 336400）

含酮類、醛類、烴類的揮發(fā)性有機廢氣很容易引發(fā)大氣污染問題，為有效處理排放行業(yè)眾多、種類繁多的揮發(fā)性有機廢氣，近年來各類揮發(fā)性有機廢氣凈化技術不斷涌現(xiàn)。為合理應用相關技術，正是本文研究的目標所在。

1 揮發(fā)性有機廢氣凈化技術研究現(xiàn)狀分析

結合揮發(fā)性有機廢氣凈化技術研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，這類技術可細分為源頭消減類技術、過程控制技術、末端治理技術。源頭消減技術指的是通過降低有害原料使用量實現(xiàn)揮發(fā)性有機廢氣排放的源頭控制，但受到經濟因素和生產工藝限制，這類技術的難度較大；過程控制技術主要依托泄漏檢測、遙感監(jiān)測等技術監(jiān)測揮發(fā)性有機廢氣在生產過程中的排放情況，如基于泄漏檢測與修復計劃的揮發(fā)性有機廢氣監(jiān)測擁有60～80%的減排效率；末端治理技術指的是基于現(xiàn)有治理技術開展揮發(fā)性有機廢氣凈化，常見技術包括吸收技術、膜分離技術、冷凝技術、吸附技術、燃燒技術、生物處理技術、低溫等離子體技術等，這類技術在揮發(fā)性有機廢氣凈化的適用流量、適用濃度、去除率、投資成本、運行費用、二次污染層面均具備顯著差異，筆者將在下文中對這類揮發(fā)性有機廢氣凈化技術的研究進展開展深入探討。

2 揮發(fā)性有機廢氣凈化技術研究進展

2.1 吸收技術

基于吸收劑中揮發(fā)性有機廢氣存在的不同溶解度，吸收技術可實現(xiàn)廢氣的分離凈化，水型復合吸收劑、礦物油類吸收劑、離子液體吸收劑、高沸點有機溶劑均屬于常用的吸收劑，吸收技術具備能耗低、吸收效率高、工藝成熟等優(yōu)勢，在多數(shù)揮發(fā)性有機廢氣處理中均能夠發(fā)揮理想效果[1]。結合相關研究可以發(fā)現(xiàn)，水型復合吸收劑具備無二次污染、揮發(fā)損失少、成本低、吸收效果稍低特點，礦物油類吸收劑具備極易揮發(fā)、組分復雜、吸收容量高、成本高、二次污染嚴重等特點，離子液體吸收劑具備揮發(fā)性低、溶解性好、熱穩(wěn)定性強、無二次污染、離子導電性出色等特點，高沸點有機溶劑具備難度大、成本高、吸收效率高等特點。在近年來的相關研究中，微乳液和離子液體受到了國內外學界的高度重視，圍繞助表面活性劑N－甲基吡咯烷酮、十二烷基咪唑雙氰胺鹽的相關研究因此大量涌現(xiàn)，這類吸收劑在揮發(fā)性有機廢氣凈化中有著較為出色表現(xiàn)。

2.2 膜分離技術

基于膜的選擇透過性，膜分離技術可通過揮發(fā)性有機廢氣各組分透過膜存在的不同傳質速率實現(xiàn)分離，膜基吸收法、氣體膜分離法、蒸汽滲透法均屬于典型的膜分離技術。以典型的膜油氣回收裝置為例，膜分離技術的應用可實現(xiàn)裝車1－己烯尾氣的回收，具體流程如圖1所示。

圖1 膜分離技術流程示意圖

圍繞上圖進行分析可以發(fā)現(xiàn)，經壓縮機的1－乙烯蒸氣/氮氣會進入吸收塔中部，與液態(tài)1－己烯（塔頂噴淋）對流吸收，底部1－己烯液體富集后經回流泵進入儲槽，少量未能吸收的混合氣分離由頂部的膜分離器完成，最終可直接排空氮氣，1－乙烯則會自動返回壓縮機[2]。結合近年來業(yè)界圍繞膜分離技術開展的研究可以發(fā)現(xiàn)，高滲透性、高選擇性、耐腐蝕、耐磨、熱穩(wěn)定好的新型膜材料屬于研究重點，交聯(lián)聚偏氟乙烯/聚二甲基硅氧烷復合膜便屬于其中典型，該新型膜材料在N2/VOC二元混合氣體中對VOC的選擇性和滲透性較好。

2.3 冷凝與吸附技術

基于有機物在不同溫度下存在不同飽和度的原理，冷凝技術可通過降低溫度或提高壓力等方式實現(xiàn)揮發(fā)性有機廢氣凈化，冷卻介質一般選擇冷鹽水、NH3、H2O等物質。冷凝技術對設備要求較高但存在工藝簡單特性，在少量高濃度揮發(fā)性有機廢氣凈化中有著出色表現(xiàn)；吸附技術能夠通過選擇性吸附揮發(fā)性有機廢氣完成凈化，分子篩、活性炭、高分子吸附材料、疏水硅膠均屬于常用的吸附劑。分子篩吸附劑具備水熱穩(wěn)定性強、微孔結構均勻、優(yōu)先吸附不飽和分子與極性分子等特性，活性炭吸附劑具備比表面積極大、孔容較大、成本較低等特點，高分子吸附材料具備微孔結構有序、孔徑可調節(jié)、對三氯乙烯等吸附能力較強特性，疏水硅膠吸附劑具備機械強度高、表面活性高、比表面積大、安全性能好等特性。

吸附技術具備凈化效率高、工藝成熟等特點，在低濃度揮發(fā)性有機廢氣凈化中有著出色表現(xiàn)，一般用于油氣回收。

2.4 燃燒技術

燃燒技術同樣可用于揮發(fā)性有機廢氣凈化，該技術可細分為直接燃燒技術、蓄熱式燃燒技術、催化燃燒技術。直接燃燒技術指的是直接將揮發(fā)性有機廢氣作為燃料，能夠在1 100 ℃的條件下得到H20和CO2產物，該技術具備運行費用低、設備簡單、易產生二次污染、熱效率低等特性，適用于回收價值不大、高燃燒熱值的高濃度揮發(fā)性有機廢氣處理，但由于技術本身的安全隱患和能耗較高，近年來該技術的應用逐漸減少[3]；蓄熱式燃燒技術指的是應用蓄熱材料和熱交換技術處理揮發(fā)性有機廢氣，以此得到H20和CO2產物，該技術在包裝印刷、石油化工等領域的應用較為廣泛，如基于涂裝過程產生的苯等揮發(fā)性有機廢氣可通過RTO三床式蓄熱式熱力氧化器在800 ℃條件下進行凈化處理。如上海寶鋼包裝公司由此實現(xiàn)了苯、甲苯等揮發(fā)性有機廢氣的凈化，相較于催化燃燒爐和直燃式燃燒爐，該企業(yè)實現(xiàn)了每年降低能源成本200余萬元；催化燃燒技術能夠通過利用催化劑實現(xiàn)反應速率提升和反應溫度控制，該技術可基于200～400 ℃條件實現(xiàn)揮發(fā)性有機廢氣凈化，揮發(fā)性有機廢氣能夠得到徹底分解，具備無二次污染、效率高的特性，但同時催化燃燒技術存在較高的廢氣要求且催化劑易出現(xiàn)失活問題。催化劑性能直接關系揮發(fā)性有機廢氣凈化效果，貴金屬催化劑屬于現(xiàn)階段應用較為廣泛的催化劑，如Pt－Pd催化劑，但由于這類催化劑存在較差的耐毒性、耐熱性且成本較高，貴金屬催化劑替代品的研究近年來也受到廣泛重視，鈣鈦礦型氧化物復合物、復合過渡金屬氧化物等屬于這類研究的重點。

2.5 生物處理技術

生物處理技術可細分為生物洗滌法、生物滴濾法、生物過濾法。生物洗滌法采用比表面積大、多孔的惰性材料，具備較為穩(wěn)定的整體操作、過程容易控制、中等投資等優(yōu)勢，但同時存在運行費用較高、設備復雜等不足。生物滴濾法采用合成填料或天然惰性填料，如泡沫、聚氨酯、樹脂、陶瓷等，具備運行費用低、中等投資等優(yōu)勢，但同時存在易產生廢水、操作要求高等不足。生物過濾法采用泥炭、堆肥、土壤等有機填料，具備運行和投資成本低、操作簡單、低壓降等優(yōu)勢，但同時存在床層易堵塞、填料pH值及濕度控制難度較高等不足。生物洗滌法、生物滴濾法、生物過濾法的去除率分別為60～98%、90～99%、90～95%。生物處理技術多用于低濃度揮發(fā)性有機廢氣的凈化，所用菌種與填料、反應器工藝條件、廢氣成分均會影響凈化效果。為提升生物處理技術實用性，近年來的相關研究主要聚焦用于化學穩(wěn)定性強和結構較為復雜揮發(fā)性有機廢氣降解菌種的培養(yǎng)，培養(yǎng)周期短、分解能力高的高適應能力菌種的培養(yǎng)和篩選屬于研究熱點。

2.6 低溫等離子體技術

除上述技術外，低溫等離子體技術同樣屬于典型的揮發(fā)性有機廢氣凈化技術，基于高壓電場中介質放電對揮發(fā)性有機廢氣進行大量高能電子轟擊，發(fā)生電離解離、激發(fā)等物理化學反應的揮發(fā)性有機廢氣可轉化為H2O和CO2。低溫等離子體技術具備處理效率高、可生成高活性低溫等離子等優(yōu)勢[4]，但同時具備較為苛刻的均勻低溫等離子產生條件、較高能耗等不足，結合業(yè)界圍繞低溫等離子體技術的相關研究和實踐能夠發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段的低溫等離子體技術適用于低濃度揮發(fā)性有機廢氣凈化處理。低溫等離子體技術主要采用輝光放電、介質阻擋放電、電暈放電、射頻放電等放電方式，相關研究多基于介質阻擋放電和電暈放電開展，由此結合催化劑技術或吸附技術即可對揮發(fā)性有機廢氣流量及初始濃度、放電方式等因素對處理效果帶來的影響進行研究。如基于脈沖等離子體源發(fā)生電暈放電，圍繞苯乙烯，在10 L/min流量、0.035%質量分數(shù)，以及27.4 J/L的能量密度、8.5 kV的電壓下，低溫等離子體技術可取得98.6%的揮發(fā)性有機廢氣去除率，該技術的實用性可見一斑。

3 結論

綜上所述，揮發(fā)性有機廢氣凈化技術具備廣闊發(fā)展前景。在此基礎上，本文涉及的吸收技術、膜分離技術、冷凝技術、吸附技術、燃燒技術、生物處理技術、低溫等離子體技術等內容，則直觀展示了揮發(fā)性有機廢氣凈化技術的研究現(xiàn)狀和應用要點。為更好開展揮發(fā)性有機廢氣凈化處理，必須設法進一步降低揮發(fā)性有機廢氣凈化的運行和投資成本，以此尋求穩(wěn)定、高效、經濟、簡單的揮發(fā)性有機廢氣凈化技術。