揮發(fā)性有機(jī)物治理技術(shù)研究進(jìn)展及工藝對(duì)比分析

潘子亮 張麗 鄭毅

1 青島市人力資源集團(tuán)有限公司 2 青島市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究設(shè)計(jì)有限公司

揮發(fā)性有機(jī)物是大氣中主要的污染源之一，其主要來(lái)源于工業(yè)生產(chǎn)、交通尾氣、溶劑使用、油漆涂料、化學(xué)品、印刷、家居用品和燃燒過(guò)程等。其特點(diǎn)為在常溫下易于從液體或固體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w，并迅速釋放到空氣中，且大多數(shù)揮發(fā)性有機(jī)物的沸點(diǎn)較低，在室溫下即可蒸發(fā)，對(duì)空氣質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境帶來(lái)極大威脅。

隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，各種VOCS治理技術(shù)得到了廣泛研究和應(yīng)用。本文將綜述已有的VOCs 治理技術(shù)研究進(jìn)展，并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)對(duì)各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，為選擇合適的治理技術(shù)提供參考。

1 揮發(fā)性有機(jī)物治理技術(shù)研究進(jìn)展

揮發(fā)性有機(jī)物治理技術(shù)是用于減少、去除或回收VOCS排放的一系列技術(shù)和措施，主要包括吸附技術(shù)、燃燒技術(shù)、生物技術(shù)、膜分離技術(shù)等。

1.1 吸附技術(shù)

吸附技術(shù)是一種常用的揮發(fā)性有機(jī)物治理技術(shù)，通過(guò)使用吸附劑將揮發(fā)性有機(jī)物從氣相吸附到固相上，其主要研究方向及進(jìn)展集中于吸附劑材料的改進(jìn)和優(yōu)化、新型吸附劑的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用、吸附過(guò)程的模型化和優(yōu)化和廢氣處理和空氣凈化。

1.1.1 吸附劑材料的改進(jìn)和優(yōu)化

活性炭、碳納米管、石墨烯等碳基材料具有高比表面積和可調(diào)控孔結(jié)構(gòu)，能夠提供更大的吸附容量和更好的選擇性；使用由金屬離子或簇與有機(jī)配體組成的多孔晶態(tài)材料MOFs 材料，其結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)整，以提高吸附效率和選擇性；使用二氧化硅、氧化鋁等具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性的活性氧化物，可應(yīng)用于高溫條件下的吸附。

1.1.2 新型吸附劑的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用

功能化吸附劑的研究主要是通過(guò)在吸附劑表面引入功能基團(tuán)，如羥基、胺基、硫基等，增加與揮發(fā)性有機(jī)物之間的相互作用力，提高吸附性能；多功能吸附劑的研究則是結(jié)合多種吸附機(jī)理和材料，如炭基材料與金屬有機(jī)框架的復(fù)合體、嵌段共聚物納米顆粒等，以實(shí)現(xiàn)更高效的揮發(fā)性有機(jī)物去除。

1.1.3 吸附過(guò)程的模型化和優(yōu)化

吸附動(dòng)力學(xué)模型的優(yōu)化通過(guò)針對(duì)不同吸附系統(tǒng)，利用擴(kuò)散模型、表面反應(yīng)模型等建立吸附過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)擬合和驗(yàn)證；吸附過(guò)程優(yōu)化則通過(guò)調(diào)節(jié)工藝條件（如溫度、壓力等）和吸附劑性能（如孔徑分布、表面性質(zhì)等），優(yōu)化吸附過(guò)程的效率和選擇性。

1.1.4 廢氣處理和空氣凈化

移動(dòng)廢氣處理指開(kāi)發(fā)小型、高效的吸附裝置，可廣泛應(yīng)用于汽車(chē)尾氣治理、印刷行業(yè)和涂裝工藝等移動(dòng)廢氣處理領(lǐng)域；室內(nèi)空氣凈化是通過(guò)設(shè)計(jì)低功耗、長(zhǎng)壽命的吸附式空氣凈化器，用于去除室內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物和異味。

1.2 燃燒技術(shù)

燃燒技術(shù)是通過(guò)將揮發(fā)性有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無(wú)害的水蒸氣和二氧化碳等氣體，在高溫條件下進(jìn)行完全燃燒，其主要研究方向集中于高效能燃燒設(shè)備的設(shè)計(jì)和改進(jìn)、低排放和廢熱回收技術(shù)、燃燒過(guò)程模擬和優(yōu)化和應(yīng)用于特定行業(yè)及領(lǐng)域。

1.2.1 高效能燃燒設(shè)備的設(shè)計(jì)和改進(jìn)

采用優(yōu)化的燃燒器結(jié)構(gòu)和噴嘴設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更好的混合和擴(kuò)散，提高燃燒效率；使用輔助燃燒技術(shù)，如預(yù)混燃燒、分級(jí)燃燒、旋流燃燒等，有效增加燃燒區(qū)域和延長(zhǎng)停留時(shí)間，提高揮發(fā)性有機(jī)物的燃燒效率。

1.2.2 低排放和廢熱回收技術(shù)

引入選擇性催化還原（SCR）技術(shù)、非平衡等離子體（NTP）技術(shù)等，降低NOx 的生成和排放。

通過(guò)換熱器、蒸汽發(fā)生器等設(shè)備，將燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的廢熱轉(zhuǎn)化為有用能源，提高能量利用效率。

1.2.3 燃燒過(guò)程模擬和優(yōu)化

采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬等方法進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬燃燒器內(nèi)部的氣流、溫度分布和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，優(yōu)化燃燒參數(shù)和設(shè)備設(shè)計(jì)；考慮燃燒、傳熱和質(zhì)量傳遞等多種物理過(guò)程之間的相互作用，進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合，更精確地描述揮發(fā)性有機(jī)物的燃燒特性。

1.2.4 應(yīng)用于特定行業(yè)及領(lǐng)域

揮發(fā)性有機(jī)物特殊處理：針對(duì)特定行業(yè)如印刷、油漆、溶劑制造等，開(kāi)發(fā)適用于不同類(lèi)型VOCS的燃燒技術(shù)，并解決特殊揮發(fā)性有機(jī)物的處理難題。

動(dòng)源燃燒治理：研究汽車(chē)尾氣中揮發(fā)性有機(jī)物的燃燒控制策略，包括動(dòng)力系統(tǒng)改進(jìn)、催化轉(zhuǎn)化等技術(shù)的應(yīng)用。

1.3 生物技術(shù)

生物技術(shù)是指通過(guò)微生物對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行吸附、降解、轉(zhuǎn)化的技術(shù)，其主要研究方向集中于生物吸附技術(shù)、生物滴定技術(shù)、生物過(guò)濾技術(shù)、生物催化技術(shù)和基因工程技術(shù)。

1.3.1 生物吸附技術(shù)

利用活性生物質(zhì)如細(xì)菌、真菌或植物來(lái)吸附和富集VOCS。生物吸附技術(shù)可以通過(guò)微生物代謝活動(dòng)將VOCS轉(zhuǎn)化為無(wú)害的產(chǎn)物，或者將其吸附于生物體表面。目前已經(jīng)研究開(kāi)發(fā)了多種具有高效吸附性能的生物吸附劑，如活性炭、生物納米材料等。

1.3.2 生物滴定技術(shù)

生物滴定技術(shù)是利用特定微生物降解有機(jī)物的能力，在污染源處或處理系統(tǒng)中注入適當(dāng)?shù)奈⑸?，使其與VOCS發(fā)生生物降解作用。這種技術(shù)可以有效地減少VOCS的排放量，但需要根據(jù)具體的VOCS種類(lèi)和環(huán)境條件選擇適當(dāng)?shù)奈⑸锞辍?/p>

1.3.3 生物過(guò)濾技術(shù)

通過(guò)利用生物膜或生物濾料來(lái)將VOCS從氣相中吸附、降解或轉(zhuǎn)化為無(wú)害物質(zhì)。常見(jiàn)的生物過(guò)濾材料有植物根系、生物炭、活性污泥等。這些材料可提供大量的微生物附著表面，從而增強(qiáng)VOCS的生物降解效率。

1.3.4 生物催化技術(shù)

利用特定酶或細(xì)胞代謝途徑來(lái)催化VOCS的降解或轉(zhuǎn)化。例如，利用氧化酶類(lèi)如過(guò)氧化物酶和多酚氧化酶等可以將VOCs氧化為無(wú)害產(chǎn)物。

1.3.5 基因工程技術(shù)

通過(guò)對(duì)微生物基因進(jìn)行改造，增強(qiáng)其對(duì)特定VOCs 的降解能力?；蚬こ碳夹g(shù)可以通過(guò)引入外源酶基因或優(yōu)化內(nèi)源降解途徑來(lái)提高微生物對(duì)VOCS的降解效率。

1.4 膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)是指基于膜的選擇透過(guò)性，將氣體混合物中的VOCS分離出來(lái)的過(guò)程，其主要研究方向包括膜材料的選擇和開(kāi)發(fā)、膜模塊和設(shè)備的改進(jìn)、多級(jí)膜分離系統(tǒng)、膜表面改性、能源消耗和氣體回收方面的研究。

1.4.1 膜材料的選擇和開(kāi)發(fā)

開(kāi)發(fā)具有高選擇性的膜材料，以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定VOCS的高效分離，如聚酰胺膜、聚硅氧烷膜等。

1.4.2 膜模塊和設(shè)備的改進(jìn)

針對(duì)VOCS的物理化學(xué)特性和分離需求，對(duì)膜模塊和設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以提高分離效率和穩(wěn)定性；通過(guò)改變膜組件的結(jié)構(gòu)和通道形狀，優(yōu)化氣體傳輸和分子擴(kuò)散過(guò)程，提高VOCS的分離性能。

1.4.3 多級(jí)膜分離系統(tǒng)

將膜分離技術(shù)與其他分離技術(shù)（如吸附、吸收）相結(jié)合，構(gòu)建多級(jí)膜分離系統(tǒng)，以提高VOCS的回收效率和純度并通過(guò)溫度和壓力的協(xié)同作用，在多級(jí)膜分離中實(shí)現(xiàn)更高的分離效果。

1.4.4 膜表面改性

通過(guò)對(duì)膜表面進(jìn)行改性，增加膜的抗污染性和抗吸附能力，延長(zhǎng)膜使用壽命并提高分離效率；將功能化材料引入膜結(jié)構(gòu)，如石墨烯、金屬有機(jī)骨架等，優(yōu)化膜的分離性能。

1.4.5 能源消耗和氣體回收方面的研究

通過(guò)減少膜分離過(guò)程中的能量消耗，如優(yōu)化操作條件、改進(jìn)循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，實(shí)現(xiàn)膜分離技術(shù)的能耗降低；研究如何有效地從分離后的氣流中回收和再利用VOCS，從而最大限度地減少資源浪費(fèi)。

2 揮發(fā)性有機(jī)物治理技術(shù)工藝對(duì)比分析

不同的揮發(fā)性有機(jī)物治理技術(shù)具有其特點(diǎn)及適用范圍，合理根據(jù)實(shí)際狀況選擇治理技術(shù)，可以有效地提高VOCS的去除效率，降低成本。

2.1 吸附技術(shù)

吸附技術(shù)主要適用于低濃度的VOCS以及噪音和能源要求較低的環(huán)境，包括：空氣凈化，廢氣處理，室內(nèi)空氣質(zhì)量改善等。

吸附技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：①高效去除：吸附劑具有高的表面積和親和力，能夠有效吸附大量的VOCS分子。②可再生性：吸附劑可以通過(guò)再生過(guò)程進(jìn)行回收利用，減少資源浪費(fèi)。③適用性廣泛：吸附技術(shù)對(duì)不同類(lèi)型的VOCS具有較好的適應(yīng)性。

吸附技術(shù)目前面臨的問(wèn)題是隨著時(shí)間的推移，吸附劑會(huì)飽和，需要定期更換或再生；且吸附劑所吸附的VOCS需要進(jìn)行后續(xù)處理，以避免二次污染。

2.2 燃燒技術(shù)

燃燒技術(shù)主要適用于高濃度的VOCS和需要徹底銷(xiāo)毀有機(jī)物的場(chǎng)景。應(yīng)用范圍主要包括：工業(yè)廢氣處理，危險(xiǎn)廢棄物處理，揮發(fā)性有機(jī)物的終端處理等。

燃燒技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：①高效去除：燃燒技術(shù)能夠?qū)OCS完全分解，達(dá)到極高的去除效率。②不產(chǎn)生二次污染：燃燒過(guò)程中生成的廢氣主要是CO2和H2O，不會(huì)產(chǎn)生新的污染物。③適用性廣泛：燃燒技術(shù)對(duì)不同類(lèi)型的VOCS都具有較好的適應(yīng)性。

燃燒技術(shù)存在的問(wèn)題：①高能耗：燃燒過(guò)程需要提供高溫和足夠的氧氣，因此能耗較高。②NOX生成：在高溫條件下，可能會(huì)生成一些氮氧化物（如NOX），這需要進(jìn)行進(jìn)一步處理。

2.3 生物技術(shù)

生物技術(shù)適用于低濃度的VOCS，對(duì)能源消耗要求較低，且對(duì)VOCS進(jìn)行特定降解的場(chǎng)景。應(yīng)用范圍主要包括：廢水處理，土壤修復(fù)，生物濾床等。

生物技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：①環(huán)境友好：生物技術(shù)可以在相對(duì)溫和的條件下實(shí)現(xiàn)VOCS的去除，減少能源消耗。②可再生性：微生物可通過(guò)培養(yǎng)和再生來(lái)實(shí)現(xiàn)反復(fù)使用。③適用性廣泛：生物技術(shù)對(duì)不同類(lèi)型的VOCS具有較好的適應(yīng)性。

生物技術(shù)的問(wèn)題：①運(yùn)行條件限制：微生物對(duì)溫度、pH 值和抑制物質(zhì)等條件敏感，運(yùn)行條件需要嚴(yán)格控制。②降解速率較慢：與吸附和燃燒技術(shù)相比，生物技術(shù)的降解速率較慢。

2.4 膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)適用于低濃度的VOCS以及對(duì)能源要求較低，需要連續(xù)操作的場(chǎng)景。主要應(yīng)用范圍包括：氣體分離，水處理，溶劑回收等。

膜分離技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：①高效去除：膜分離技術(shù)能夠高效地將VOCS從氣相中分離出來(lái)，具有高效去除能力。②選擇性分離：通過(guò)選擇合適的膜材料和操作條件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定VOCS的選擇性分離。③可回收利用：膜分離技術(shù)可以將分離后的VOCS進(jìn)行回收和再利用，減少資源浪費(fèi)。

膜分離技術(shù)的問(wèn)題：①膜污染問(wèn)題：長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，膜面容易受到污染，需要定期清洗或更換膜組件。②能耗較高：一些膜分離過(guò)程需要提供一定的壓力差和溫度條件，因此能耗較高。

3 結(jié)語(yǔ)

揮發(fā)性有機(jī)物治理技術(shù)的研究進(jìn)展及工藝對(duì)比分析為選擇合適的治理技術(shù)提供了重要參考。各種技術(shù)在去除效率、能耗、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境影響等方面具有不同優(yōu)劣，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。未來(lái)的研究方向包括改進(jìn)技術(shù)性能、提高能源利用效率、降低處理成本，以及更加深入地研究VOCs 特性對(duì)治理技術(shù)的影響。此外，還需要開(kāi)展更多的實(shí)驗(yàn)研究和工程應(yīng)用，以驗(yàn)證不同技術(shù)在不同條件下的效果，并進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化治理技術(shù)。通過(guò)持續(xù)的研究和創(chuàng)新，可以更好地解決揮發(fā)性有機(jī)物治理的挑戰(zhàn)，保護(hù)環(huán)境和人類(lèi)健康。