關(guān)于揮發(fā)性有機(jī)物治理技術(shù)的研究探討

沈世總，鐘卉卉，俞勇涯

(1.瑞安市生態(tài)環(huán)境保護(hù)綜合行政執(zhí)法隊，浙江省 溫州市 325200；2.杭州一潔環(huán)保科技有限公司，浙江省 杭州市 310000）

近年來，我國空氣污染狀況嚴(yán)重，很多城市都把發(fā)展重心放在經(jīng)濟(jì)增長上，忽視了對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，這種經(jīng)濟(jì)增長與環(huán)境持續(xù)惡劣之間的矛盾產(chǎn)生了不可逆轉(zhuǎn)的后果，例如現(xiàn)在很多城市的空氣質(zhì)量狀況堪憂，城市空氣質(zhì)量平均優(yōu)良天數(shù)比例僅占全年天數(shù)的不到兩成，在這種情況之下，人們的生產(chǎn)生活甚至生命健康都受到了嚴(yán)重地威脅。為了建設(shè)更加美好的未來，我們有義務(wù)和責(zé)任加大對大氣污染的研究力度及重視程度，深入研究揮發(fā)性有機(jī)物的產(chǎn)生以及治理途徑和方法，盡可能降低其在大氣環(huán)境中出現(xiàn)的概率，消除其對人類健康造成的危害。

1 概述

揮發(fā)性有機(jī)物主要是指常溫條件下，沸點在50～260 ℃，飽和蒸氣壓大于133.3 Pa的有機(jī)化合物。該類有機(jī)化合物對人體健康的危害極強(qiáng)，甚至?xí)渌衔锓磻?yīng)生成毒性更強(qiáng)的物質(zhì)，如果不能對其進(jìn)行很好地處理，將會成為危害生態(tài)環(huán)境以及人類生命健康的罪魁禍?zhǔn)字?。很多空氣高度污染的地區(qū)，其生態(tài)環(huán)境已經(jīng)遭到了嚴(yán)重破壞，而在這種環(huán)境中生活的人們也被更多地誘發(fā)出身體疾病，因此，必須要對相關(guān)污染成分進(jìn)行有效處理[1]。

一般來說，這種揮發(fā)性有機(jī)物主要來源于化工生產(chǎn)，并且由于生產(chǎn)性質(zhì)不同，所產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)物的物理及化學(xué)性質(zhì)也存在著各種差異，例如不同化工企業(yè)所產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)物，往往存在于混合物之中，需要對其進(jìn)行分離提純的預(yù)處理步驟才能夠更好地消除大氣環(huán)境污染物，如果只采取單一的治理技術(shù)則無法滿足要求，多種處理工藝和手段相互融合才是解決復(fù)合型揮發(fā)性有機(jī)物的關(guān)鍵。對于很多已經(jīng)擁有揮發(fā)性有機(jī)物處理設(shè)備和技術(shù)的企業(yè)，還能夠節(jié)約處理成本，提升處理效率，因為該技術(shù)只需要在工藝末端添加控制技術(shù)。

2 VOCs治理技術(shù)

2.1 吸附法

利用吸附法實現(xiàn)對揮發(fā)性有機(jī)物的治理，主要原理是由于氣體混合物對于吸附劑的選擇存在差異，可以利用某些物理手段以及化學(xué)手段將復(fù)合污染物氣體進(jìn)行分離并提純，這種方法的主要優(yōu)勢在于可以回收部分有價值的揮發(fā)性有機(jī)物氣體。大多數(shù)吸附法所選取的吸附揮發(fā)性有機(jī)物氣體的材料是經(jīng)氧化處理后的活性炭，并且這種物質(zhì)對于揮發(fā)性有機(jī)物氣體的吸附能力會隨著工作環(huán)境的溫度及濕度的差異而產(chǎn)生變化，因此處理效率比較高。但是這種方法存在著一定的弊端，首先該種方法運(yùn)行操作的環(huán)境必須嚴(yán)格控制；其次就是要對揮發(fā)性有機(jī)物吸附劑進(jìn)行更換，否則可能會降低治理的質(zhì)量[2]。對于這種治理技術(shù)的改進(jìn)，重點在于減少有機(jī)物吸附劑的更換次數(shù)以及二次污染的頻率。一般所采用的方法就是加設(shè)吸附脫水裝置以及催化燃燒處理等環(huán)節(jié)。

2.2 吸收法

這種方法的主要原理是利用揮發(fā)性有機(jī)物可溶于油類物質(zhì)的特性，選擇合適的吸收劑對揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行吸收，再將吸收后的物質(zhì)進(jìn)行二次利用，從而可以產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)價值。同吸附法一樣，這種方法在吸收劑的選擇上也有一定難度，所以，如何實現(xiàn)低成本、高效率、低危害的吸收效果已經(jīng)成為研究的主要目標(biāo)之一，例如有些情況下可以利用水作為吸收劑，雖然吸收效率有限，但是相比其他材料，水的價格比較低并且危害性小。除此之外，增加氣液的接觸面積也是提高吸收效果的方法之一。

2.3 冷凝法

冷凝法主要是利用特殊的氣體冷卻回收裝置，按照氣體飽和度不同的特點，分別液化回收不同類型的有機(jī)氣體。當(dāng)工業(yè)廢氣中揮發(fā)性有機(jī)物凝固點過低時，可以采取的有效提高冷凝效率和質(zhì)量的方式就是增大壓力。其實冷凝法也可以根據(jù)接觸形式的不同，分為表面冷凝以及接觸冷凝兩種類型。前者主要是廢氣與冷卻液間壁式接觸或列管式接觸，而后者則是利用噴淋塔接觸實現(xiàn)廢氣與冷卻液的接觸，兩種方法各有利弊，第2種與第1種相比，其運(yùn)行成本比較高。

雖然這種方法適用于較小的揮發(fā)性有機(jī)物處理空間，但是實際操作的要求卻不低，需要足夠的成本去支持低溫以及高壓的運(yùn)行環(huán)境。該種方法的研究重點是降低冷凝法能耗的措施，對于利用所液化收集的氣體方面，研究不是特別深入。

2.4 膜分離法

在高分子膜的作用下，摻雜了不同氣體成分的混合性氣體會被溶解擴(kuò)散，可以利用這一原理對其進(jìn)行分離提純。例如較為常見的蒸汽滲透就是把有機(jī)物蒸汽通過高分子模直接進(jìn)行分離。

膜分離法的優(yōu)勢是操作難度較小、污染程度較低，且氣體回收率高。但是，這種方法由于需要高分子膜的反復(fù)使用和更換，會造成很大的成本問題。在膜分離方法的研究中，如何開發(fā)和利用具有較強(qiáng)耐受性強(qiáng)的膜是一個重要的課題。

2.5 生物處理法

生物處理法的主要原理就是利用微生物自身的吸收處理作用實現(xiàn)對有機(jī)廢氣中物質(zhì)的分離與提純，相較于其他揮發(fā)性有機(jī)物治理技術(shù)，生物處理法的操作過程比較簡單，并且出現(xiàn)二次污染的幾率不大。但是由于微生物對于生存環(huán)境較為敏感，并且該種方法是新興的治理技術(shù)，其可操作性及實用性還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。根據(jù)相關(guān)研究資料表明，生物處理法的處理效果以及效率比較依賴于填料以及菌種這兩個因素。因此如何能夠找出合適的、處理能力強(qiáng)的菌種以及填料是該方法需要突破困境的關(guān) 鍵[3]。

2.6 低溫等離子法

在處理較多揮發(fā)性有機(jī)物時，除了上述幾種典型的辦法，還可以采取低溫等離子的方法，影響該種處理方法的主要因素是吸附性能以及等離子體介電常數(shù)，且該種方法的使用往往會受到污染物氣體中其他雜質(zhì)的影響，例如臭氧。但是由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的不斷提高，通過對各種反映環(huán)境及條件的限定與控制，該種方法的實施范圍以及準(zhǔn)確度有了顯著提高。掌握低溫等離子治理技術(shù)的關(guān)鍵就是要繼續(xù)研究開發(fā)穩(wěn)定性及吸附能力強(qiáng)的催化劑，并配合功能更加完善的反應(yīng)設(shè)備，以最大程度地提高低溫等離子法的準(zhǔn)確性。

2.7 光催化降解法

光催化降解法，顧名思義就是利用光能以及催化劑來實現(xiàn)對揮發(fā)性有機(jī)物的綜合治理，使揮發(fā)性有機(jī)物通過化學(xué)反應(yīng)被去除。完成實驗方法的因素主要有兩種：第一就是要保證有充足的光能，使其可以在合適的溫度及濕度條件下，發(fā)生氧化還原反應(yīng)；第二就是對于催化劑的選擇。揮發(fā)性有機(jī)物治理效果的好壞取決于所使用催化劑的催化活性。這種光催化污染物處理方法，能夠在較短時間內(nèi)完成一定量的污染物處理，但是該種方法的應(yīng)用效果取決于催化劑的種類、作用的環(huán)境溫度和濕度、外部光照的強(qiáng)度等，不可預(yù)測性太強(qiáng)。為了能夠達(dá)到催化目的而采取控制反應(yīng)條件的方法成本較高。對于該種揮發(fā)性有機(jī)物處理技術(shù)的研究重點，應(yīng)該放在如何保持催化劑催化活性以及提高紫外光源的照射速度上[4]。

2.8 非催化燃燒法

非催化燃燒法的主要原理是利用揮發(fā)性有機(jī)物具備一定可燃性的特點。如果能夠充分利用這一特點，就可以通過燃燒來達(dá)到處理該類氣體的目的。

2.8.1 直接燃燒法

直接燃燒法就是將大量揮發(fā)性有機(jī)物通過燃燒的方式進(jìn)行處理。由于揮發(fā)性有機(jī)物在燃燒之后，會產(chǎn)生大量的有毒氣體，因此該種方法呢必須與其他廢氣處理方法配合使用，才能夠避免發(fā)生二次污染。在對各種方法進(jìn)行應(yīng)用操作時，一定要注意環(huán)境溫度。在有些情況下，溫度必須要達(dá)到要求才能夠使處理方法發(fā)揮較好的作用。除此之外，還應(yīng)該注意揮發(fā)性有機(jī)物在燃燒時可能需要與空氣混合，如果不能夠較好地掌握空氣與揮發(fā)性有機(jī)氣體配合的比例，極有可能會造成爆炸的風(fēng)險。因此，直接燃燒法并不是一種值得推廣的揮發(fā)性有機(jī)物處理技術(shù)。

2.8.2 蓄熱燃燒法

該方法與直接燃燒法相比，增加了廢氣預(yù)熱步驟以及余料自動回收設(shè)置。這主要是依靠閥門系統(tǒng)、蓄熱室以及燃燒室三個主要部分共同作用的結(jié)果。如何能夠提高閥門系統(tǒng)內(nèi)工作的靈敏度，成為蓄熱燃燒法的關(guān)鍵，這將有利于提高揮發(fā)性有機(jī)物燃燒處理的速率以及質(zhì)量，并降低產(chǎn)生二次污染的概率。

2.8.3 多孔介質(zhì)燃燒法

多孔介質(zhì)燃燒法主要是將揮發(fā)性有機(jī)物放在多孔介質(zhì)材料中進(jìn)行燃燒處理。由于材料的幫助，能夠?qū)⑷紵a(chǎn)生的熱量通過固體加熱的方式對上游廢氣進(jìn)行預(yù)熱，同時還可以對下游余熱進(jìn)行回收。相較前兩種揮發(fā)性有機(jī)物處理方法，該種方法對設(shè)備的要求較低，并且能夠在短時間內(nèi)完成廢氣的處理，并且效果也比較可控，因此受到越來越多相關(guān)人員的青睞。如果能把重點放在控溫和散熱的研究上，將會促進(jìn)多孔介質(zhì)燃燒方法的全面發(fā)展。

2.9 催化燃燒法

催化燃燒法經(jīng)常被作為其他燃燒法的補(bǔ)充，這主要是因為催化燃燒法的運(yùn)行成本太高，且所能處理的揮發(fā)性有機(jī)物濃度過低。常見的催化劑可分為負(fù)載型貴金屬催化劑、過渡金屬氧化物催化劑以及稀土金屬氧化物催化劑等。

負(fù)載型貴金屬催化劑燃燒方法需要借助很多貴重金屬來作為活性成分，以氧化物作為載體支撐。這樣做主要是因為貴重金屬能夠使催化燃燒法的催化效率得到顯著提升，提高催化劑的活性等，但是貴重金屬價格比較高昂，因而加大了催化燃燒法的運(yùn)行成本。

可以采用Ce和La等多種稀土金屬提高揮發(fā)性有機(jī)物治理技術(shù)的效率，多數(shù)情況都是選擇多種過渡金屬共同摻雜組合催化揮發(fā)性有機(jī)物治理過程的方法。事實證明這樣的方法能夠有效提高催化處理效率。

催化燃燒處理法對于整個過程操作人員的技術(shù)水平有較高的要求，需要他們能夠完成催化劑的再生過程，并且該種方法所能催化的揮發(fā)性有機(jī)物濃度是有限制的，只有在濃度較小的范圍下，才能夠發(fā)揮其應(yīng)有的功效。

因此我們認(rèn)為在對催化燃燒處理方法進(jìn)行優(yōu)化的過程中，一定要考慮以下幾點：如何能夠提高操作人員的技術(shù)水平、增強(qiáng)催化劑的低溫性能，增強(qiáng)催化劑的穩(wěn)定性以及再生能力，才能使催化燃燒法的效率得到進(jìn)一步提高，適用范圍也才會逐步擴(kuò)大，而不是再作為其他有機(jī)物處理方法的補(bǔ)充。

3 結(jié)語

近年來，我國大氣污染的狀況越來越嚴(yán)重，不僅危害著人們的身體健康，還阻礙著經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。如何高效處理揮發(fā)性有機(jī)物，已經(jīng)成為相關(guān)專家和學(xué)者的研究重點。揮發(fā)性有機(jī)物因來源不同而具有不同的物理及化學(xué)性質(zhì)，要想對其進(jìn)行又快又好地處理，不能只采取一種廢氣處理方式，將各種方法配合使用才是揮發(fā)性有機(jī)物治理的最佳方式。例如對于含有較多氨氣及硫化物的廢氣，必須要先對其進(jìn)行吸附并采取微生物處理方式進(jìn)行預(yù)處理，由此產(chǎn)生的新的物質(zhì)，再借助催化燃燒方法進(jìn)行二次處理和提純。

根據(jù)揮發(fā)性有機(jī)物的特性，在選擇處理手段和技術(shù)時，要考慮到預(yù)處理工藝的重要性。這樣做的目的是能夠提高后續(xù)集中處理的效率，避免產(chǎn)生二次污染，并減小廢氣處理的成本及危害。一般來說，如果揮發(fā)性有機(jī)物的濃度較高，就必須先采取吸附方法來對其進(jìn)行處理，再選擇燃燒處理法等更加具有針對性的方法進(jìn)行分離和提純，以消除部分有害氣體。一般來說大部分揮發(fā)性有機(jī)物處理流程最終都是利用催化技術(shù)，這也體現(xiàn)出我們在發(fā)展揮發(fā)性有機(jī)物治理技術(shù)時應(yīng)該將研究重點放在催化技術(shù)升級之上的決心。

一切關(guān)于揮發(fā)性有機(jī)物治理技術(shù)的改革，重點都需要放在如何能夠提高處理效率、降低二次污染帶來的危害、盡可能地減少過多成本支出上。根據(jù)現(xiàn)實情況進(jìn)行揮發(fā)性有機(jī)物處理技術(shù)之間的有效組合，能夠提高有害氣體處理技術(shù)的水平。因此，一定要從綜合角度出發(fā)，選擇合適的方法，使治理效率達(dá)到事半功倍的效果。希望相關(guān)領(lǐng)域能夠?qū)⒍喾N揮發(fā)性有機(jī)物技術(shù)結(jié)合起來，逐步優(yōu)化其運(yùn)行空間和條件，使其適應(yīng)多種工業(yè)應(yīng)用場景，從而使空氣污染治理工作能夠更加順利地進(jìn)行。