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挥发性有机污染物(VOCs)治理进展及发展前沿思考

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近年来,进入大气中的挥发性有机化合物越来越多,其成分复杂,具有刺激性、毒性,对人类的健康和周围环境都产生了不良的影响。研究表明城市区域的挥发性有机废气VOCs大多数是致癌的主要因素。VOCs中的苯已被证实是人类的致癌物质,像其他如正乙烷、庚烷和辛烷会影响人的中枢神经系统。目前,最关键的问题是有效地控制VOCs需要先进适用的、成本低的技术。本文就此问题对挥发性有机废气的传统的气体净化技术进行简略介绍,同时对吸附与催化过程,低温等离子体光催化技术等几种先进的处理技术最新发展做了介绍。
1、    挥发性有机污染物VOCs治理现状
目前,各种有机污染物及无机污染物的大量排放对环境造成了严重的影响,并威胁人类健康。这些污染物通常来自工业废气排放源、生活污染源及交通污染源。传统的气体净化技术如:热破坏法、生物膜法、光分解法等一般投资大、周期长、运行费用高,而且处理效果也很难满足日益严格的排放法规,因此人们正在寻求新的方法和途径。
1.1    热破坏法
热破坏法是目前应用比较广泛也是研究较多的VOCs 治理方法,可分为热燃烧和催化燃烧。VOCs的热破坏可能包含一些列分解、聚合和自由基反应;最重要的VOCs的破坏机理是氧化和热裂解、热分解。
1.2    生物膜法
生物膜法就是将微生物固定附着在多孔性介质填料表面,并使污染空气在填料床层中进行生物处理,可将其中的污染物除去,并使之在空气中降解,VOCs被吸附在孔隙表面,被孔隙中的微生物所耗用,降解成二氧化碳、水和中性盐。
1.3    光分解法
光分解VOCs有两种形式:一种是直接光照在波长合适时,VOCs分解:另一种是催化剂存在下,光照VOCs使之分解。光催化剂的基本原理就是在一定波长照射下,光催化剂使H2O生成-OH,然后-OH将VOCs氧化成二氧化碳、水。
2、     吸附-解吸技术
2.1 吸附系统
目前吸附系统应用最多的方法最成熟的是蜂窝轮吸附,它是1977~1979年于日本开发成功的。国外传统的浓缩轮都是以沸石或陶瓷纤维为基材。首先用热稳定性高的陶瓷纤维制成蜂窝层,该基材热处理后侵入含高硅粉末和无机粘结剂的硅溶胶中,后经干燥,制成表面上紧粘着高硅沸石的蜂窝状组件。转动部位是用两种不同形状的氟化橡胶密封。这种新方法和一套新密封设计制造的吸附轮,能够使VOCs的去除效率高达90% ~95%。
2.2 解吸技术
常用的解吸是热风加热法,浓缩后的有机废气解吸出来的浓度可以增加10-20倍。近年来,新的解吸技术研究正在不断地涌现。
2.2.1 氧化再生
高沸点化合物类的VOCs很容易引起吸附材料的孔堵塞,减短其使用寿命,而且传统的解吸方法对这些化合物不起作用。在氧化再生过程中,先对低沸点化合物解吸,然后对不能再解吸的高沸点化合物进行氧化,使吸附了VOC的吸附剂得以再生。
2.2.2 热点解吸法
这种方法是直接引入电流到经改性的活性炭吸附剂加热解吸,解吸效率可以通过调节电流和吹扫气流来控制。解吸温度可控制在20℃~250℃内,与传统热分解吸法相比,所需的吹扫气流量较少。
2.2.3 微波解吸法
微波解吸的技术,是一种很有前景的VOCs处理新技术,国外目前已有实现该法的应用。这种解吸技术无论是从经济效益还是环保效益方面来看,都比传统的再生技术表现更好的优越性。国内也有该法的研究,但仍处在试验阶段。
2.2.4 超声波解吸
这种解吸法是利用超声波产生的热能对吸附剂进行解吸。据研究发现超声波能够很容易将活性炭及聚合树脂的难以解吸的酚解吸下来,而且超声波强度可以提高解吸速率,减少解吸所需的活化能。
3、    催化燃烧技术
在催化燃烧系统中,燃烧温度一般控制在200℃-400℃。但因这种反应器的气流流向不断变换,导致开关频率高,需用高质量阀。催化燃烧的热回收装置一类是采用可以在放热和吸热端同时翅片化的热管换热器,系统热回收率可达到70%以上。另一类是蓄热式燃烧装置,该装置从20世纪70年代末开始应用,近年来最新发展的是采用陶瓷、砾石或其他的高密度惰性材料床吸收气体热量。
4、    低温等离子体-光催化技术
4.1 研究现状
低温等离子体-光催化技术是一项新兴的技术,它结合了低温等离子体技术和光催化技术的优点,在环境领域有着广阔的应用前景。目前,等离子体光催化体系净化技术的研究尚处在实验室探索阶段。
近年来兴起的半导体光催化技术由于其能耗低,氧化性能强,已有大量研究。但该技术仍存在一些缺陷,如:反应受紫外光源限制;能量产率低;较难处理高浓度、大风量的气体等。对于这些问题的解决,研究者通过各种技术手段对光催化剂进行改性,进而提高光催化性能。
4.2 去除挥发性有机物
挥发性有机物是一类比较难降解的气体,尤其是苯系物,传统的方法不但难以实现较高降解率而且极易产生二次污染。而利用等离子体光催化技术处理后则能使之迅速降解,并且基本无二次污染,处理效率比单一的等离子体技术和光催化技术都有明显的提高。
5、    结论
随着挥发性有机废气污染问题的日益严峻,其处理也成为人们研究的重点之一。但是各个工业生产中排放的VOCs种类不同,造成VOCs的成分复杂,而且不同的污染物的特性相异。
等离子体光催化集成空气净化技术解决了光催化技术的瓶颈,与传统的气体净化技术相比,该技术具有工艺简单、成本低、效率高、操作条件温和,且二次污染少等优点,具有广阔的应用前景。该技术在等离子体和光催化技术的有效结合上海存在很多问题,为了使等离子体光催化技术尽早能在工业上得到推广应用,在以后研究中可以朝以下方向努力:
(1)    开展等离子体光催化作用机理研究;
(2)    研究低温等离子体放电材料、放电参数,进而研究等离子体光源的特性;
(3)    改性光催化剂,构筑新型光催化剂材料,提高等离子体光源的利用率;
(4)    在等离子体反应器的基础上研究新型等离子体光催化反应器,使得两种技术得到充分发挥。

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