VOCs治理技术

背景简介VOCs污染治理技术总结挥发性有机污染物（VOCs）是一类重要的空气污染物，通常是指沸点50~260℃、室温下饱和蒸气压超过133.3Pa的有机化合物，包括烃类、卤代烃、芳香烃、多环芳香烃等。工业排放如化工厂排出的工艺尾气、废弃物焚烧的烟气中含有多种VOCs，机动车排放的尾气中含有未完全燃烧的烃类物质。室内装饰、装修材料如油漆及其溶剂、木材防腐剂、涂料、胶合板等常温下也可释放出甲苯、苯、二甲苯、甲醛等多种挥发性有机物质VOCs是有害人体健康的污染物质，它与大气中的NO2反应生成O3，可形成光化学烟雾，并伴随着异味、恶臭散发到空气中，对人的眼、鼻和呼吸道有刺激作用，对心、肺、肝等内脏及神经系统产生有害影响，有些则是影响人体某些器官和机体的变态反应源，甚至造成急性和慢性中毒，可致癌、致突变，同时可导致农作物减产。因此，VOCS处理越来越受到各国的重视，许多发达国家都颁布了相应的法令以限制VOCS的排放，已成为大气污染控制中的一个热点。目前国内外对治理挥发性有机废气开展了大量的研究和实践。主要分为以下七种治理措施：1）吸附法2）催化燃烧处理技术3）液体吸收处理技术4）生物处理技术5）光催化氧化处理技术6）低温等离子处理技术7）膜基吸收技术吸附法是利用多孔性固体吸附剂处理流体混合物，使其中所含的一种或数种组分浓缩于固体表面上，以达到分离的目的。吸附法在VOCS的处理过程中应用极为广泛，主要用于低浓度高通过量有机废气（如含碳氢化合物废气）的净化。该方法去除率高，无二次污染，净化效率高，操作方便，且能实现自动控制；不足之处是由于吸附容量受限不适于处理高浓度有机气体，当废气中有胶粒物质或其它杂质时，吸附剂易失效，同时吸附剂需要再生。吸附法的关键问题就在于对吸附剂的选择。吸附剂要具有密集的细孔结构，内表面积大，吸附性能好，化学性质稳定，耐酸碱，耐水，耐高温高压，不易破碎，对空气阻力小。常用的吸附剂主要有活性炭（颗粒状和纤维状）、活性氧化铝、硅胶、人工沸石等。目前在采用吸附法治理有机废气中，活性炭的性能最好，其去除率高，物流中有机物浓度在1000×10－6以上，吸附率可达95%以上。催化燃烧技术（AOGC）是指在较低温度下，在催化剂的作用下使废气中的可燃组分彻底氧化分解，从而使气体得到净化处理的一种废气处理方法。该法适用于处理可燃或在高温下可分解的有机气体。具有以下优点：①为无火焰燃烧，安全性好；②对可燃组分浓度和热值限制较小；③大部分有机物和CO在200~400℃即可完成反应，故辅助燃料消耗少，而且大量地减少了NOx的产生；④可用来消除恶臭。但是其缺点是工艺复杂，需要预处理以免催化剂失效。可分为：预热式：废气温度低于起燃温度自身热平衡式：废气温度高于起燃温度吸附-催化燃烧：当有机废气的流量大、浓度低、温度低、采用催化燃烧需耗大量燃料时可先采用吸附手段将废气浓缩该技术采用低挥发或不挥发液体为吸收剂，通过吸收装置利用废气中各种组分在吸收剂中的溶解度或化学反应特性的差异，使废气中的有害组分被吸收剂吸收，从而达到净化废气的目的。VOCs的吸收通常为物理吸收。根据有机物相似相溶原理，常采用沸点较高、蒸气压较低的柴油、煤油作为溶剂，使VOCs从气相转移到液相中，然后对吸收液进行解吸处理，回收其中的VOCs，同时使溶剂得以再生。适用于废气流量较大（3000~15000m3/h）、浓度较高（0.05%~0.5%）、温度较低和压力较高情况下气相污染物的处理。优点是操作简单，吸收剂价格便宜；其缺点是对设备要求较高、需要定期更换吸收剂，同时设备易受腐蚀，存在二次污染。高效清洁的吸收剂的选择仍是该法的主要研究方向之一。将有机生物降解过程应用于有机废气的净化处理是近几年才开始的，是一项新兴的技术。生物法的基本原理是：过滤器中的多孔填料表面覆盖有生物膜，废气流经填料床时，通过扩散过程，把污染成分传递到生物膜，挥发性有机物的污染物被吸附到空袭表面，与膜中生物相发生生物化学反应，降解成CO2、H2O和中性盐，从而使废气中的污染物得到降解。除含氯较多的有机物分子难以降解外，一般的气态污染物在生物过滤器中的降解速率为10100m3/h，生物过滤器对挥发性有机物的去除率可达95％，对恶臭物质达99％。生物法特别适合于处理气体流量大于15000m3/h、体积分数小于0.1%的VOCS气体。优点：可在常温、常压下操作，净化效率高，抗冲击能力强，只要控制适当的负荷和气液接触条件，净化率一般都在99%以上；不产生二次污染，特别是一些难处理的含硫、含氮的恶臭物质以及苯酚、氰等有害物质均能被氧化和分解。；其缺点是氧化分解速度较慢，生物过滤需要很大的接触表面，过滤介质的适宜pH值范围也难以控制。主要包括：生物过滤法生物滴滤法生物洗涤法生物法处理有机废气技术是为解决这类既无回收利用价值又扰民并污染环境的低浓度工业有机废气净化处理难题而开发的，属目前世界上工业废气净化领域的前沿热点技术。该技术是指在一定波长光照下，利用催化剂的光催化活性，使吸附剂在其表面的VOCS发生氧化还原反应，最终将有机物氧化成CO2、H2O及无机小分子物质。光催化氧化具有选择性，反应条件温和（常温、常压），催化剂无毒，能耗低，操作简便，价格相对较低，无副产物生成，使用后的催化剂可用物理和化学方法再生后循环使用，对几乎所有污染物均具净化能力等优点。在近几年的研究中，纳米TiO2光催化氧化技术日益显露出其优势。纳米TiO2是一种新型的高功能精细无机产品，其粒径介于1~100nm。由于它的比表面积大，化学稳定性和催化活性高，价廉且来源广泛，对紫外光吸收率较高，抗光腐蚀性，且没有毒性，对很多有机物有较强的吸附作用，使得它在去除气态污染物方面有着明显的优势。为了避免实用过程中TiO2的纳米颗粒与空气分离的难题，因此需要将纳米TiO2负载在载体材料上，制成负载型的纳米TiO2光催化剂才便于使用。常以活性炭纤维作为载体，将TiO2以膜的形式负载其上。该法目前尚处在实验室阶段，因为寻找既牢固又具有优良光催化活性的Ti/O膜和提高光催化过程的效率仍是技术难题。低温等离子体技术又称非平衡等离子体技术，是在外加电场的作用下，通过介质放电产生大量的高能粒子，高能粒子与有机污染物分子发生一系列复杂的等离子体物理化学反应，从而将有机污染物降解为无毒无害物质。低温等离子技术主要有电子束照射法、介质阻挡放电法、沿面放电法和电晕放电法等。右图是等离子反应器结构示意图。该法处理有机废气具有以下优点：①能耗低，可在室温下与催化剂反应，极大地节约了能源；②使用便利，设计时可以根据气体量变化以及现场条件进行调节；③不产生副产物，催化剂可选择性地降解等离子体反应中所产生的副产物；④不产生放射物；⑤尤其适于处理有气味及低浓度大风量的气体。然而仍有技术难题：①对水蒸气比较敏感，当水蒸气含量高于5％时处理效率及效果将受到影响；②初始设备投资较高。膜基吸收技术是采用中空纤维微孔膜，使需要接触的两相分别在膜的两侧流动，两相的接触发生在膜孔内或膜表面的界面上，这样就可避免两相的直接接触，防止了乳化现象的发生。中空纤维膜对VOCs进行吸收。吸收剂须对VOCs有很高的溶解性，而对空气中的其它成分基本上不溶解，而且吸收剂必须是一种惰性、无毒、不挥发的有机溶剂，在运行过程中，要始终保持气相压力比液相压力高，以保证膜气体的有效吸收与传统膜分离技术相比，膜基吸收的选择性取决于吸收剂，且膜基吸收只需要用低压作为推动力，使两相流体各自流动，并保持稳定的接触界面。具有流程简单、VOCs回收率高、能耗低、无二次污染等优点。该净化技术对极性和非极性挥发性有机废气均能去除，小流量和大流量均能适用。吸附/吸收法属于传统法，技术成熟和成型，但由于其处理设备容量有限，吸附剂需要再生等问题使得应用受到限制。生物处理技术、催化燃烧技术、低温等离子技术、光催化氧化技术和膜基吸收技术不仅能够有效地解决传统技术对处理低浓度、大气量有机废气不适用的难题，而且具有投资少、运行费用低，废气停留时间短，高效、稳定、反应彻底且无二次污染的特点，同时还克服了传统方法运行费用高、反应器庞大等缺陷，相信在今后的VOCs污染治理领域更具发展前途。张云.环境中VOCs的污染现状及处理技术研究进展[J].化工环保，2009,29(5)樊奇.挥发性有机废气净化技术研究进展[J].四川环境，2005，24(4)卢辛成.挥发性有机物的治理以及活性炭的应用研究进展[J].生物质化学工程，2009,43(1)吴碧君.挥发性有机物污染控制技术研究进展[J].电力环境保护，2005，21(4)