整體式催化劑在VOCs廢氣處理中的應(yīng)用

文_常靈 喬方天 中科芯集成電路有限公司

目前我國揮發(fā)性廢氣的處理成本很高，特別是在石化行業(yè)和印刷行業(yè)。在處理廢氣的技術(shù)方面，根據(jù)揮發(fā)性有機(jī)廢氣處理技術(shù)的不同原理，以及處理后產(chǎn)生的衍生物質(zhì)的有害程度，現(xiàn)有的有機(jī)廢氣處理技術(shù)主要可分為回收式處理和消除式處理兩大類?；厥帐教幚碇饕抢么厥諒U氣的親和特性，采用物理方法對(duì)揮發(fā)性有機(jī)廢氣進(jìn)行處理，起到降低其危害途徑的目的?；厥帐教幚淼墓に嚪椒ㄖ饕ㄎ椒ā⒖s合法和膜分離法。消除式處理則是利用揮發(fā)性有機(jī)廢氣的反應(yīng)特性，與另一種物質(zhì)結(jié)合，轉(zhuǎn)化為無害或危害度小的另一種物質(zhì)，是一種通過化學(xué)或生化反應(yīng)處理揮發(fā)性廢氣的方法。消除式處理主要是利用催化劑、熱力學(xué)或微生物將有機(jī)廢氣分子轉(zhuǎn)化為無害且易于收集處理的的二氧化碳、水和小分子。主要包括等離子體處理、熱氧化、催化燃燒和生物技術(shù)。本文主要研究催化劑在廢氣處理中的使用。

1 整體式催化劑在VOCs廢氣處理中的應(yīng)用分析

整體式催化劑大多為蜂窩形結(jié)構(gòu)，該類催化劑一般以堇青石蜂窩陶瓷為基體，在其表面上涂覆涂層作為第二載體，再負(fù)載活性組分Pt和Pd等在這類催化劑中起到關(guān)鍵的作用。催化劑制備之前需要了解廢氣中的化學(xué)成分，為后期充分反應(yīng)做準(zhǔn)備。

1.1 揮發(fā)性有機(jī)廢氣樣本采集分析

揮發(fā)性有機(jī)廢氣樣品由活性炭管采集，使用二硫化碳解吸，然后將待分析樣品裝入氣囊，最后由載氣帶入氣相色譜儀毛細(xì)管柱。實(shí)驗(yàn)樣品經(jīng)過色譜柱分離處理之后送入儀器，對(duì)廢氣進(jìn)行成分測(cè)定和含量測(cè)定。采集的揮發(fā)性有機(jī)廢氣樣品經(jīng)解吸處理后，也同樣經(jīng)過分離操作，送到質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀器中進(jìn)行定量定性檢測(cè)。最后，根據(jù)質(zhì)譜和國家標(biāo)準(zhǔn)譜庫對(duì)樣品進(jìn)行定性和定量分析。

本實(shí)驗(yàn)經(jīng)數(shù)據(jù)庫查詢，并將測(cè)定數(shù)值與各相似度物質(zhì)的比對(duì)，然后根據(jù)出峰時(shí)間、峰高度等參數(shù)，分析可得揮發(fā)性有機(jī)廢氣樣品的主要成分及含量如表1所示。

表1 車間揮發(fā)性氣體樣品成分表

通過對(duì)實(shí)地的氣體進(jìn)行采樣分析，使用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀分析得到生產(chǎn)車間的揮發(fā)性有機(jī)氣體主要由11種成分組成。其中含量最多的是乙酸乙酯、乙醇、異丙醇，占比分別是23.64%、16.83%、14.91%，丙二醇甲醚、乙酸丙酯類次之，剩余的丙酮，二甲苯含量甚微。

1.2 整體式催化劑處理廢氣過程

催化劑技術(shù)由于操作步驟簡易，化學(xué)反應(yīng)比較充分等優(yōu)點(diǎn)，其在廢氣處理中有一定的地位。本方案考慮將催化劑各組分的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來形成互補(bǔ)，并對(duì)這種技術(shù)組合進(jìn)行了研究。綜上所述，本方案決定采用廢氣收集自動(dòng)輸送一體化催化劑設(shè)備作為生產(chǎn)車間揮發(fā)性有機(jī)廢氣處理的主要設(shè)備。利用催化劑處理廢氣的工藝主要包括一次破壞、二次分解及三次催化氧化。

第一，破壞需要利用超強(qiáng)電磁輻射和紫外線的穿透作用，以強(qiáng)照度紫外線光束、大功率微波輻射對(duì)有機(jī)廢氣進(jìn)行外加強(qiáng)應(yīng)力，通過施加高于穩(wěn)態(tài)閾值的能量，打破、裂解有機(jī)廢氣分子的大部分分子鏈，改變有機(jī)廢氣的物質(zhì)形態(tài)，以便將聚合物污染物質(zhì)裂解成低分子的無害物質(zhì)。

第二，催化氧化。催化劑在光照下分解時(shí)產(chǎn)生大量羥基自由基，羥基自由基具有較強(qiáng)的氧化能力，可與揮發(fā)性有機(jī)廢氣發(fā)生一系列連鎖化學(xué)反應(yīng)，將其分解為礦物鹽、二氧化碳和水，沒有再次污染環(huán)境的可能。在分解過程中，氧分子與催化劑反應(yīng)如下：

由于臭氧具有較強(qiáng)的氧化性，因此本方案設(shè)計(jì)的凈化裝置對(duì)異味氣體具有較強(qiáng)的去除效果。而且臭氧作為一種強(qiáng)催化氧化劑，可以催化揮發(fā)性有機(jī)廢氣的氧化，分解有刺激性氣味的氣體中的有害物質(zhì)，破壞其結(jié)構(gòu)，達(dá)到徹底消除刺激性氣味以及其毒性的目的。本技術(shù)解決方案通過使用多種催化劑涂層，提高了波段激光裂解能力，同時(shí)在一定程度上增強(qiáng)了催化氧化能力。該方案通過一次破壞、二次分解、三次催化氧化有效凈化揮發(fā)性有機(jī)廢氣，脫臭效果可達(dá)85%左右。處理后的排放完全符合國家惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

收集定量的揮發(fā)性有機(jī)廢氣進(jìn)行對(duì)比測(cè)驗(yàn)，以此驗(yàn)證本文的整體式催化劑在處理廢氣中的方法的可用性。本實(shí)驗(yàn)將投放整體式催化劑組設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組，低溫等離子組和光解凈化組設(shè)置為對(duì)照組。

低溫等離子技術(shù)利用低溫等離子體產(chǎn)生的高能活性粒子在反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)與有機(jī)廢物氣體分子在一系列的反應(yīng)，將廢氣分解為水等無害物質(zhì)。

光解凈化技術(shù)是利用光催化劑和有揮發(fā)性的氣體進(jìn)行接觸性反應(yīng)。光催化劑在一定的光照條件下會(huì)引起電子空化現(xiàn)象，能夠和水分子融合形成密度比較高的自由基。因?yàn)榇嘉镔|(zhì)具有比較強(qiáng)的氧化反應(yīng)，所以產(chǎn)物可以氧化成為二氧化碳和水，這兩種物質(zhì)都能夠在自然界中進(jìn)行自循環(huán)且對(duì)環(huán)境影響較小，廢氣也可以處理掉。

掌握了基本的原理之后，將三種方法進(jìn)行降解效果的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

首先將三項(xiàng)方法都需要使用到的儀器設(shè)備準(zhǔn)備好。

廢氣收集裝置，包括管道附件和電氣控制設(shè)備。阻火器的主要功能是防止外部火焰進(jìn)入易燃易爆危險(xiǎn)設(shè)備而造成不必要的損壞，并能有效減少電壓的危害。

阻火器的工作原理是通過噴射藥劑產(chǎn)生一個(gè)隔離層，利用傳熱效應(yīng)來阻止火焰蔓延。目前，市場上的滅火器主要通過小通道將火焰分流，以增加火焰和通道壁接觸，達(dá)到增加散熱面積的目的，火焰因冷卻到燃點(diǎn)以下而熄滅。電柜是為了保護(hù)電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。該設(shè)備由電動(dòng)機(jī)控制單元和其他功能單元組成。低壓配電柜的主要電氣元件為ABB和施耐德產(chǎn)品。空開短路電流不小于35kA。

電流互感器的額定電壓大于設(shè)備運(yùn)行線路的額定電壓。本方案設(shè)計(jì)的電流互感器的額定輸出電流范圍為0～5A，工作精度為0.5，需要保護(hù)接地，將一體化催化劑、低溫等離子體處理裝置和光分解凈化裝置分別放入廢氣儲(chǔ)存裝置中。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

對(duì)整體式催化劑、低溫等離子和光解凈化三種方式進(jìn)行降解乙酸乙酯比率測(cè)量的結(jié)果如表2。

由表2可知，用整體式催化劑、低溫等離子和光解凈化三種方式對(duì)揮發(fā)性有機(jī)廢氣進(jìn)行處理都能夠達(dá)到廢氣處理標(biāo)準(zhǔn)。但是從詳細(xì)數(shù)據(jù)來看，整體式催化劑的凈化程度要更完全，其降解后所含的有毒有害元素的比率比低溫等離子和光解凈化方法都低很多，證實(shí)了整體式催化劑在處理廢氣中的可用性。

3 結(jié)語

本文所研究的投放整體式催化劑技術(shù)是在降解揮發(fā)性有機(jī)物污染方面效果顯著的技術(shù)，該聯(lián)用技術(shù)的主要特點(diǎn)是在保證較高凈化去除率，降解產(chǎn)物無二次污染的同時(shí)，可極大地降低能耗，并且同時(shí)具有去除細(xì)菌微生物的功能。環(huán)境治理不應(yīng)僅僅針對(duì)工業(yè)“三廢”等污染源頭，環(huán)境保護(hù)治理中使用的工藝方法、技術(shù)手段更應(yīng)該做到綠色、環(huán)保、無殘留、無危害。因此，在研究整體式催化劑處理VOCs廢氣中，首先且重點(diǎn)考慮的就是如何降低殘留，保證衍生物質(zhì)無毒、無害。催化劑應(yīng)當(dāng)在簡單處理后能夠投入反復(fù)使用，但對(duì)于將這些治理技術(shù)繼續(xù)創(chuàng)新和降解效率，還需要進(jìn)一步做大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充及可行性研究。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表