工業(yè)VOCs的危害及治理研究

張文明

（安徽新合大工程管理有限公司，安徽 阜陽 230041）

引言

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)化和城市化進(jìn)程不斷加快，大氣環(huán)境污染問題日益凸顯，尤其是區(qū)域性復(fù)合型大氣污染。大氣污染頻次的增多和范圍的逐漸擴(kuò)大，不僅制約著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)也危及人類健康。從大氣污染的成因來看，VOCs的排放量與大氣污染指數(shù)呈正相關(guān)[1]。VOCs的主要排放源是工業(yè)源，集中于石油化工、印刷、涂料及膠粘劑生產(chǎn)等行業(yè)，工業(yè)VOCs具有排放量大、來源復(fù)雜、有害物質(zhì)種類多且行業(yè)差異性大等特點(diǎn)。我國針對工業(yè)VOCs的污染防治工作還處于初級階段，防治基礎(chǔ)較為薄弱，為了切實(shí)提升工業(yè)VOCs的治理水平，我們要加快建立VOCs污染治理的技術(shù)體系和管理體系，全面有效地開展工業(yè)VOCs的防治工作，最大限度減少VOCs的排放量，為大氣環(huán)境治理奠定重要基礎(chǔ)。

1 VOCs概述

1.1 VOCs的定義

根據(jù)世衛(wèi)組織給出的定義，VOCs是揮發(fā)性有機(jī)化合物的簡稱，主要是指在常溫常壓條件下，沸點(diǎn)在50～260 ℃之間的有機(jī)化合物[2]。我國對于VOCs的定義是在常溫下飽和蒸氣壓大于70 Pa，常壓下沸點(diǎn)在260 ℃以下的有機(jī)化合物，同時(shí)還包括在常溫常壓條件下具有自主揮發(fā)性的全部有機(jī)化合物。

1.2 種類及性質(zhì)

關(guān)于VOCs的種類，按照不同揮發(fā)性有機(jī)化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)，可以將其分為烷烴、烯烴、炔烴、醇類、醛類、醚類、酮類、酯類、鹵代烴、苯系物等幾大類。一般在工業(yè)生產(chǎn)和生活中常見的VOCs包括甲苯、二甲苯、對二氯苯、乙苯、苯乙烯、甲醛、乙醛、三氯乙烯、二氯乙烯等，而其中甲苯、二氯乙烯、三氯乙烯等已經(jīng)被確定為致癌物。從性質(zhì)來看，大部分VOCs氣體是無色的，但具有特殊性氣味，并且具有一定的毒性、皮膚和粘膜刺激性、致畸性和致癌性。

1.3 VOCs的來源

VOCs的來源有工業(yè)源和生活源，而其中工業(yè)源是最為主要的污染來源，工業(yè)生產(chǎn)每年產(chǎn)生的VOCs氣體占總排放量的一半以上。具體來看，工業(yè)源主要包括：（1）石油煉制與石油化工、煤炭加工與轉(zhuǎn)化行業(yè)，這些行業(yè)會(huì)使用一些含VOCs的原料進(jìn)行生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量含揮發(fā)性有機(jī)化合物的氣體；（2）印刷行業(yè)生產(chǎn)中所使用的大量合成樹脂包裝材料、油墨、膠粘劑等，都會(huì)產(chǎn)生大量的VOCs排放；（3）建筑及裝飾裝修行業(yè)使用的一些建筑塑料板材、泡沫隔熱材料以及油漆、涂料等都含有VOCs，如油漆中VOC含量為0.4～1.0 mg/m3，并且具有較強(qiáng)的揮發(fā)性；（4）汽車行業(yè)中汽車涂裝所使用的涂裝溶劑，在噴涂和浸漬過程中會(huì)有大量的VOCs揮發(fā)，另外汽車尾氣也是VOCs的主要排放源；（5）電子行業(yè)如集成電路生產(chǎn)、顯示屏生產(chǎn)等過程中都會(huì)產(chǎn)生大量的VOCs氣體。除了工業(yè)源之外，我們生活中的燃煤、采暖、烹飪、吸煙以及服裝干洗等都會(huì)產(chǎn)生VOCs氣體的排放，但是相對于工業(yè)源排放，生活源排放沒有那么集中，排放量也遠(yuǎn)不及工業(yè)源，因此當(dāng)前VOCs治理的關(guān)鍵是工業(yè)治理，所采取的一些技術(shù)方法和管理舉措也主要針對工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。

2 工業(yè)VOCs的危害

2.1 對環(huán)境的危害

工業(yè)VOCs排放量大且種類不一，嚴(yán)重危及生態(tài)環(huán)境安全。VOCs是形成PM2.5和臭氧這類二次污染物的前體物質(zhì)。由于VOCs大多具有較強(qiáng)的揮發(fā)性，在相應(yīng)的光照和壓強(qiáng)條件下會(huì)發(fā)生分解，分解出的自由基和過氧基會(huì)與空氣中的碳氧化合物及氮氧化物等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而引起霧霾、光化學(xué)煙霧等大氣環(huán)境問題，使空氣中PM2.5的濃度顯著增加。除此之外，芳烴類和氟氯烴類的揮發(fā)性有機(jī)化合物，暴露于室外空氣當(dāng)中，會(huì)與紫外線發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的氯原子，進(jìn)而破壞臭氧層。臭氧層的破壞會(huì)直接導(dǎo)致溫室效應(yīng)，不僅會(huì)使全球變暖，還會(huì)影響動(dòng)植物生長，降低農(nóng)作物產(chǎn)量，增加動(dòng)物患病風(fēng)險(xiǎn)，最終使得整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，嚴(yán)重危及生態(tài)安全。

2.2 對人體的危害

VOCs大多具有特殊性氣味，一般是散發(fā)惡臭和帶有刺激性的氣味，并且還含有大量的毒害物質(zhì)，對人體健康有極大威脅。工業(yè)VOCs對人體健康的危害主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：首先是對人體感官系統(tǒng)的危害，包括感官刺激、粘膜刺激，人體一旦吸入刺激性的VOCs氣體，其最先作用于感官和黏膜，會(huì)使人感到眼睛、皮膚干澀，并且刺激眼黏膜、鼻粘膜和呼吸道黏膜，進(jìn)而引發(fā)一些呼吸系統(tǒng)方面的疾病，如呼吸道感染等。其次是對神經(jīng)系統(tǒng)和臟器系統(tǒng)的損害，長期生活在VOCs超標(biāo)的環(huán)境下，尤其是甲醛、甲苯超標(biāo)，會(huì)損害人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，引發(fā)頭暈、惡心、記憶力衰退等情況，甚至還會(huì)引發(fā)敗血癥、白血病，影響人體造血器官的功能。除此之外，一些羥基甲酯類的VOCs氣體會(huì)導(dǎo)致肺中毒；三氯乙烯、二氯乙烯這類VOCs氣體會(huì)引發(fā)肝臟中毒，影響人體正常的新陳代謝；四氯乙烷、乙二醇類會(huì)引發(fā)腎臟中毒。最后就是一些工業(yè)VOCs已經(jīng)明確被列為致癌物，因此長期吸入還會(huì)引發(fā)一些基因毒性和癌變。

2.3 對生產(chǎn)的危害

工業(yè)VOCs除了會(huì)造成環(huán)境污染和危及人體健康外，對工業(yè)生產(chǎn)本身也有一定危害。近年來多起工業(yè)安全生產(chǎn)事故都是由于VOCs氣體濃度過高導(dǎo)致爆炸所引起的。在工業(yè)生產(chǎn)中，乙烯、丙烯這類脂肪烴類物質(zhì)應(yīng)用廣泛，而這一類物質(zhì)本身具有易燃易爆性，一旦超過一定的濃度，還具有較強(qiáng)的毒性。其本身性質(zhì)不穩(wěn)定，即使?jié)舛容^低，但如果存在生產(chǎn)監(jiān)管不到位或技術(shù)操作失誤等情況，也很容易引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)事故的發(fā)生，造成一定的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，影響生產(chǎn)安全。

3 工業(yè)VOCs的治理方法

從技術(shù)層面看，針對工業(yè)VOCs的治理方法包括物理回收和化學(xué)分解兩大類，物理回收包括吸附法、吸收法和冷凝法；化學(xué)分解包括燃燒法、生物處理法、光催化法等。

3.1 吸附法

吸附法是物理回收技術(shù)的代表，在工業(yè)VOCs治理方面有比較廣泛的應(yīng)用。該方法主要利用一些有密集細(xì)孔結(jié)構(gòu)的材料對VOCs氣體進(jìn)行吸附，從而去除有機(jī)廢氣中的有害物質(zhì)，減少廢氣排放對大氣環(huán)境帶來的危害。作為吸附有害物質(zhì)的吸附材料，必須具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐酸堿、耐高溫高壓、不易破碎且對空氣阻力小的特性。常見的、性能比較良好的吸附材料包括活性炭、沸石、活性氧化鋁、硅膠等。這類吸附材料主要屬于物理吸附材料，他們共有的特征是內(nèi)部為多孔結(jié)構(gòu)、比表面積大、吸附效果較好且適用范圍較廣。尤其是活性炭，除了可以進(jìn)行物理吸附外，活性炭表面含有的一些氫氧化物，還能與所吸附的VOCs發(fā)生反應(yīng)，更有助于后續(xù)進(jìn)行VOCs的綜合利用。該治理技術(shù)一般適用于污染物濃度低于2 000 mg/m3的有機(jī)廢氣處理，其優(yōu)點(diǎn)在于操作簡便、常溫下可使用。但是由于該吸附治理是將VOCs從氣相固定到自身，沒有從根源上消除或分解污染物，仍然存在恢復(fù)不完全的情況?；钚蕴?、沸石類的吸附材料再生成本較高，因此開發(fā)低成本、高效率的吸附材料是工業(yè)VOCs吸附治理技術(shù)未來應(yīng)用研究的主要方向。

3.2 吸收法

吸收法也是治理工業(yè)VOCs常用的一類物理回收技術(shù)。該方法運(yùn)用相似物相溶的原理，利用煤油、柴油等揮發(fā)性較低的溶劑或是一些專門的吸收劑，對工業(yè)VOCs進(jìn)行吸收溶解。在完成吸收溶解后，再利用VOCs和吸收溶劑兩者物理性質(zhì)和化學(xué)結(jié)構(gòu)的差異，對其加以分離。這種治理方法對于高濃度有機(jī)廢氣或大風(fēng)量、低濃度的有機(jī)廢氣具有良好的治理效果，在石油化工生產(chǎn)中運(yùn)用廣泛，且相比于吸附法來說，吸收溶劑使用成本較低。但是在采用這一技術(shù)進(jìn)行工業(yè)VOCs治理時(shí)，需要定期更換吸收溶劑，更換后還存在廢水處理的問題。在后續(xù)的技術(shù)治理過程中，相關(guān)人員可以嘗試將該方法與其他技術(shù)手段聯(lián)合使用。

3.3 冷凝法

冷凝法也是工業(yè)VOCs物理回收治理的代表，相比于吸收法、吸附法，可以說是物理回收技術(shù)中應(yīng)用最為簡單的方法。冷凝法運(yùn)用物理學(xué)的溫度和壓強(qiáng)原理，由于工業(yè)VOCs在不同溫度下有不同的飽和蒸氣壓，據(jù)此采用降低系統(tǒng)溫度或提高系統(tǒng)壓力的方法，使處于蒸汽狀態(tài)的VOCs冷凝，冷凝后會(huì)呈液態(tài)，這樣就很容易將其從廢氣中分離出來。冷凝法在進(jìn)行工業(yè)VOCs治理時(shí)，大多是利用冷凝裝置來進(jìn)行冷凝回收，其優(yōu)點(diǎn)在于可以通過調(diào)節(jié)反應(yīng)壓力、溫度等實(shí)現(xiàn)對工業(yè)VOCs不同程度的凈化；同時(shí)該治理手段受外界環(huán)境溫度和壓力的影響較小，并且由于是低溫操作，對于一些易燃易爆的工業(yè)VOCs物質(zhì)來說具有較強(qiáng)的安全性，其對于高沸點(diǎn)、高濃度的工業(yè)VOCs具有較好的治理效果。但是該方法要使用專用裝置，應(yīng)用成本較高，相關(guān)設(shè)備運(yùn)行操作要求相對較為嚴(yán)格。同時(shí)，由于該方法更加適用于處理高濃度工業(yè)VOCs，因此處理后的VOCs可能仍然無法達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，還需要結(jié)合吸附法和吸收法進(jìn)行二次凈化。

3.4 燃燒法

燃燒法是目前為止在化工行業(yè)VOCs處理中應(yīng)用最為廣泛且技術(shù)相對成熟的一類化學(xué)分解治理手段。該方法的主要原理是通過氧化燃燒，對工業(yè)VOCs中的碳氧化物進(jìn)行分解，進(jìn)而達(dá)到去除的目的。燃燒法可以分為直接燃燒、催化燃燒和蓄熱燃燒三種類型。

3.4.1 直接燃燒

大部分工業(yè)VOCs中都含有氫、氧、碳這幾種元素，因此具有較強(qiáng)的可燃性，利用燃油或燃?xì)庾鳛槿剂蠈ζ溥M(jìn)行直接燃燒，可以使其在高溫作用下生成無毒害的二氧化碳和水。直接燃燒更加適用于高濃度、高熱值且不具有回收利用價(jià)值的工業(yè)VOCs氣體。如果揮發(fā)性有機(jī)化合物濃度過低，則需要添加更多的輔助燃料，相應(yīng)的直接燃燒成本就比較高。直接燃燒治理的工藝較為簡單，適用于印刷及涂裝行業(yè)的污染治理，但是其對安全性要求較高。

3.4.2 催化燃燒

這種燃燒分解的方式主要是先將工業(yè)VOCs氣體預(yù)熱，再借助催化劑，通過催化床層的作用，在較低溫度和較短時(shí)間內(nèi)完成快速燃燒分解。這種方法相比于直接燃燒，安全性較高，并且燃燒較為充分，所產(chǎn)生的二次污染物較少。目前比較常用的催化劑是金屬催化劑，主要有Pt、Pd、Rh等，雖然催化活性較高但是價(jià)格比較昂貴，同時(shí)在處理一些鹵代烴類的揮發(fā)性有機(jī)化合物時(shí)，由于其中含有N、S、P等元素，有機(jī)物易發(fā)生氧化作用，使催化劑失活。

3.4.3 蓄熱燃燒

這是一種比較先進(jìn)的工業(yè)VOCs燃燒處理技術(shù)，該技術(shù)簡稱為RTO。蓄熱燃燒屬于一類熱氧化法，是應(yīng)用熱氧化和催化氧化技術(shù)破壞工業(yè)生產(chǎn)排放廢氣中揮發(fā)性有機(jī)化合物的方法。蓄熱式熱氧化器與目前國內(nèi)所使用的其他熱氧化技術(shù)最大的不同在于，該技術(shù)主要是使用陶瓷或其他高密度惰性材料床從排出燃燒的氣體中吸收并存儲(chǔ)熱量，儲(chǔ)存的熱量用于預(yù)熱新進(jìn)入的有機(jī)廢氣，燃燒時(shí)還可以供給燃燒室一部分熱量。該治理技術(shù)可以達(dá)到98%以上的熱回收效率，同時(shí)對于VOCs的去除率高達(dá)99%，非常適用于高濃度、成分復(fù)雜且難分解的工業(yè)VOCs治理。

3.5 生物處理法

生物處理是治理工業(yè)VOCs的新興技術(shù)手段。生物處理法主要利用微生物降解原理，通過培養(yǎng)對工業(yè)VOCs具有降解作用的微生物，完成對工業(yè)VOCs的降解及轉(zhuǎn)化。生物處理技術(shù)包括生物吸收法和生物過濾法兩種：（1）生物吸收法是將微生物及其營養(yǎng)物配料存于液體中，有機(jī)廢氣中的有害物質(zhì)與懸浮液接觸后轉(zhuǎn)移到液體中，從而被微生物所降解；（2）生物過濾法是將微生物附著于多孔性介質(zhì)填料表面，引導(dǎo)廢氣通過材料，其中的VOCs可以被吸附在多孔介質(zhì)表面，材料表面的微生物發(fā)揮相應(yīng)的降解作用，將其轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和中性鹽等無機(jī)物。用該技術(shù)方法治理工業(yè)VOCs具有設(shè)備簡單、運(yùn)行成本低且無二次污染等優(yōu)點(diǎn)。但是微生物對鄰苯二甲酸酯類物質(zhì)等有機(jī)污染物降解效率不高，且需要定期添加和更換營養(yǎng)基，對于廢氣溫度和流量也有一定要求，因此使用時(shí)需要考慮工業(yè)VOCs的類型。

4 結(jié)語

綜上，工業(yè)VOCs對生態(tài)環(huán)境、人體健康、安全生產(chǎn)都有一定危害，加強(qiáng)對工業(yè)VOCs治理技術(shù)的應(yīng)用研究，做好綜合防治工作，是減少工業(yè)VOCs危害，實(shí)現(xiàn)工業(yè)綠色環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。