UV 光催化聯(lián)合活性吸附處理煤化工污水廢氣效果探究

趙 媛

（晉控煤業(yè)金鼎活性炭山西有限公司，山西 大同 037001）

0 引言

在煤化工生產(chǎn)過程中，因其自身原材料和工藝的客觀因素限制，其極易產(chǎn)生大量的污水和廢氣，這些污水和廢氣必須經(jīng)過必要的環(huán)保處理后方可進行排放[1]。從目前的經(jīng)驗來看，以往采用的凈化沉淀過濾等方式效果較為有限，難以滿足當(dāng)前環(huán)保的實際需要。為有效突破上述局限問題，就應(yīng)當(dāng)采用各種新技術(shù)方法，并對其進行整合，以提高煤化工污水廢氣的處理效果[2]。目前基于UV 光催化和吸附處理的復(fù)合型污水廢氣處理技術(shù)模式較具可行性，可以此為基礎(chǔ)做進一步探究。

1 項目概況

某煤化工企業(yè)主營業(yè)務(wù)為各種精細化工產(chǎn)品生產(chǎn)，由于其主營業(yè)務(wù)的特殊性，其在生產(chǎn)過程中耗費的水資源較為突出，并產(chǎn)生了大量廢水。為實現(xiàn)對廢水的處理效果最大化，以往該企業(yè)主要應(yīng)用常規(guī)的污水凈化沉淀過濾方式進行污染物處理，其取得了一定的凈化效果。但在凈化過程中，也同時產(chǎn)生了較多的揮發(fā)性氣體，特別是氨和硫化氫兩類氣體的含量偏高，近期的抽樣測試顯示，當(dāng)前該企業(yè)排放的廢氣中，平均氨質(zhì)量濃度為6.1 mg/m3，平均硫化氫質(zhì)量濃度為9.3 mg/m3，兩項指標(biāo)均顯著超出排放標(biāo)準，需要對此問題進行針對性處理。就此，企業(yè)經(jīng)研究后決定，采用UV 光催化和吸附相結(jié)合的方式進行處理，基本流程如圖1 所示。

圖1 本次煤化工廢氣處理工藝流程圖

如圖所示，在該方案模式下，其主要工藝流程如下：在污水處理過程中產(chǎn)生的廢氣進入洗滌塔進行凈化處理；初步凈化后的廢氣進入UV 光催化模塊中，在光催化作用下，大部分有機物均得到富集和處理；處理后廢氣中殘存的異味雜質(zhì)進入活性炭中得到吸附，以除去異味，達到排放標(biāo)準；達到排放標(biāo)準后的氣體經(jīng)過引風(fēng)機，引入煙囪內(nèi)進行外排。

2 主要工藝流程要點

2.1 洗滌塔洗滌

結(jié)合實際需要，并參考以往的大量研究文獻后，本次采用酸堿洗滌法進行洗滌，并創(chuàng)建兩級洗滌塔。在洗滌塔中，具體操作流程如下：在洗滌塔運行過程中，控制廢氣通過裝有填料的洗滌塔進行凈化過濾，并使用噴淋系統(tǒng)，將藥劑溶液不斷噴灑至填料頂部，而后藥劑溶液受到重力影響，自上而下覆蓋所有填料，以實現(xiàn)廢氣與藥劑的充分反應(yīng)[3]。同時在該洗滌塔中，藥劑溶液為循環(huán)使用模式，通過化學(xué)傳感器對洗滌塔內(nèi)反應(yīng)環(huán)境中的pH 值進行實時監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果自動補充藥劑，確保洗滌塔的長期平穩(wěn)運行[4]。

在第一級洗滌塔中，主要作用是對硫化氫氣體的充分吸收，因此該洗滌塔配備裝有強氧化劑和堿性藥劑的循環(huán)水槽，水槽上方設(shè)置進氣口和布氣裝置，以提升廢氣與藥劑的反應(yīng)效率，在氣體的流動過程中，氣體經(jīng)過裝有聚丙烯拉西環(huán)材料的填料層，確保反應(yīng)發(fā)生在填料層，提升氣相與液相之間的反應(yīng)效率，該階段主要反應(yīng)為硫化氫與氫氧化鈉之間的反應(yīng)，最終生成相對穩(wěn)定的硫化鈉，以除去硫化氫氣體。

在第二級洗滌塔中，主要作用是對氨氣的充分吸收。因此在二級洗滌塔下側(cè)的循環(huán)水槽內(nèi)加入濃度為3 mol/L 的硫酸溶液，其基本運行流程與第一級洗滌塔相同，以此實現(xiàn)對氨氣的吸收，將其轉(zhuǎn)化為相對穩(wěn)定的硫酸銨。

2.2 UV 光催化處理

在經(jīng)過洗滌塔處理后，氨氣和硫化氫氣體得到了充分處理，但此時的處理后廢氣中仍然含有一定量的污染性有機物，需要對此做進一步處理，因此本環(huán)節(jié)采用UV 光催化處理技術(shù)，其核心部分為新型高效揮發(fā)性有機物（VOCs）治理技術(shù)，在該項技術(shù)下，應(yīng)用高效催化劑進行處理。該催化劑的制備工藝流程如下：稱取一定量的十六烷基三甲基氯化銨（C19H42ClN），加入適量去離子水?dāng)嚢枞芙?，記作A 溶液；其次稱取一定量的磷鎢酸，加入適量去離子水?dāng)嚢枞芙夂笥涀鰾溶液。而后將B 溶液緩慢加入到A 溶液中，在25 ℃下攪拌1 h，反應(yīng)結(jié)束后使用去離子水進行多次洗滌和抽濾，并將抽濾洗滌后的物質(zhì)置于80 ℃下的真空干燥箱中進行干燥，即可得到催化劑。

本次制備得到的催化劑主要在紫外光條件下對相關(guān)的污染性有機物進行催化分解?；诖嗽?，研究人員對這些有機廢氣分子中的主要化學(xué)鍵鍵能進行分析，分析結(jié)果如表1 所示。

表1 廢氣中有機物分子的主要化學(xué)鍵鍵長與鍵能

根據(jù)前期的測定可知，本次所制備的UV 光催化材料所發(fā)射的光子最高能量達到704 kJ/mol，明顯高出上表中任何一種化學(xué)鍵的鍵能，因此從理論角度來講，廢氣中的化合物均能夠全部裂解。在此基礎(chǔ)上，廢氣還會受到UV-D 波段內(nèi)真空紫外線的作用，使得裂解后的成分與臭氧分子發(fā)生反應(yīng)，生成二氧化碳和水等無毒害且穩(wěn)定的物質(zhì)。

2.3 活性炭吸附

在經(jīng)過洗滌塔和UV 光催化處理后，廢氣中的絕大多數(shù)污染成分將得到顯著處理，但由于煤化工廢氣成分的復(fù)雜性，因此在經(jīng)過以上步驟處理后，仍存在一定含有異味的有機化合物和粒徑較大的顆粒物。為進一步提升廢氣排放的環(huán)保水平，研究人員增設(shè)活性炭吸附處理模塊，對上述殘余的污染物進行吸附。基于此，在本環(huán)節(jié)中，所使用的活性炭材料采用蜂窩狀的大塊顆粒碳，具體如圖2 所示。

圖2 蜂窩狀顆粒型活性炭

如圖所示，本次所選用的蜂窩狀顆粒型活性炭在結(jié)構(gòu)上與常規(guī)活性炭材料存在顯著差異。具體來看，這種材料具有較大的比表面積，具有發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)，還有吸附性能良好、機械強度高、易反復(fù)再生、造價低等特點，在處理煤、重油燃燒生成的煙氣時，這種活性炭可以有效將有害物質(zhì)吸附除去，可以應(yīng)對以上幾個環(huán)節(jié)中沒能除去的硫化物、氨化物和有機物殘留，是防止廢氣中的有害成分擴散到大氣中的最后一道屏障，還能夠高效過濾廢氣中的污染物，從而有效祛除廢氣中的異味等污染成分，以此更好實現(xiàn)環(huán)保目標(biāo)。

3 應(yīng)用效果分析

在以上三個工序流程要點設(shè)計完成后，工程人員按照圖1 中的流程，將以上三個處理模塊進行整合，組建UV 光催化聯(lián)合活性炭吸附的煤化工廢氣廢水處理流程，并將其投入到實際運行當(dāng)中，使之滿負荷運行30 d。在運行過程中發(fā)現(xiàn)，各個工藝處理單元均保持正常運行狀態(tài)。就此，對該煤化工企業(yè)正常工作時7 d 內(nèi)的廢氣排放指標(biāo)進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如表2所示。

表2 新技術(shù)應(yīng)用后的入口及出口處廢氣物質(zhì)含量 單位：mg/m3

從表3 的數(shù)據(jù)可見，在應(yīng)用本次UV 光催化聯(lián)合活性炭吸附的煤化工廢氣廢水處理工藝后，兩種主要廢氣成分均得到顯著降低，經(jīng)初步計算后得知，氨氣平均質(zhì)量濃度和硫化氫平均質(zhì)量濃度分別降低了88.6%和99.6%，效果較為顯著，同時也使得兩項主要處理結(jié)果指標(biāo)降低至污染物排放標(biāo)準要求之內(nèi)。從實際運行效果來看，該凈化工藝流程相較于常規(guī)污水廢氣處理方案，具有更為突出的優(yōu)勢，簡單便捷，極大提升了煤化工企業(yè)的環(huán)保水平。

4 結(jié)語

整體來看，在本次研究中，基于某煤化工企業(yè)廢氣排放超標(biāo)的現(xiàn)狀，提出了基于UV 光催化聯(lián)合活性炭吸附的煤化工廢氣廢水處理工藝，用于該企業(yè)的污水處理。該工藝整合了洗滌凈化、UV 光催化凈化和活性炭吸附三個主要環(huán)節(jié)。從實際處理效果來看，氨氣平均質(zhì)量濃度和硫化氫平均質(zhì)量濃度分別降低了88.6%和99.6%，取得了相對較優(yōu)的處理效果，表明該凈化工藝流程相較于常規(guī)污水廢氣處理方案，具有更為突出的優(yōu)勢，該工藝也有望在今后的煤化工企業(yè)環(huán)保建設(shè)中得到進一步的應(yīng)用。