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揮發性物新治理技術研究進展
隨著我國工業化的推進,各種環境問題日益突出,其中揮發性物(VolatileOrganicCompounds,簡稱VOCs)的污染廣泛關注。根據世界衛生組織等機構的定義,VOCs是指沸點在50℃~250℃的化合物,室溫下飽和蒸汽壓超過133.32Pa,在常溫下以蒸汽形式存在于空氣中的一類物。
VOCs排放來源廣泛,且對人體和環境的危害,它們通過呼吸道和皮膚進入人體后,能導致人體的肝、腎和神經等形成暫時性和長期性的病變,有些會產生“三致”效應。VOCs污染已經引起人們的廣泛關注。因此,VOCs治理對于保護環境、國民健康和經濟可持續發展,都具有重要意義。
一、VOCs處理技術現狀及發展
目前,VOCs治理技術主要有兩類:一類是預防性措施,以 換設備、改進工藝等為主。 類是控制性措施,以末端治理為主。現階段末端控制技術是VOCs污染控制的重要手段,包括回收技術和銷毀技術。回收技術主要采用物理方法,包括吸收技術、活性炭吸附塔吸附技術、冷凝技術、膜分離技術等。銷毀技術主要采用化學和生物的方法,包括熱力焚燒技術、催化燃燒技術、生物技術等、低溫等離子體技術、光催化技術。活性炭凈化裝置吸附技術、熱力焚燒技術和催化燃燒技術是目前應用廣泛的傳統治理技術。低溫等離子體技術、光催化氧化裝置技術和膜分離技術是近年發展的。
1、低溫等離子體技術
低溫等離子體技術是指在外加電場作用下,通過高壓脈沖放電在常溫下產生大量的 電子、離子和自由基等活性粒子,進而與VOCs分子作用而電離、離解或激發VOCs分子發生一系列的復雜的等離子體物理和化學反應,使VOCs降解為CO2和H2O。目前,低溫等離子體技術按放電形式可分為電子束照射法、介質阻擋放電法和電暈放電法等技術。各種放電形式獲得的 電子的能量分布和能量密度差別很大。但由于低溫等離子體技術具有經濟和技術上的優越性,因此該技術也成為VOCs治理技術的研究熱點之一。目前,研究者利用低溫等離子體技術降解乙烯、庚烷、三苯等廢氣,均具有良好的脫除率但低溫等離子體技術還存在不足之處:(1)臭氧問題,腐蝕設備,污染環境;(2)X射線輻射作用;(3)無選擇性, 電子會降解N2和CO2,浪費資源;(4)設備要求高,投入成本高,運行功耗高且不穩定。因此,等溫等離子體治理VOCs基本還處于實驗室階段,工業運用相對很少。
2、光催化技術
近幾年,光催化技術成為VOCs治理的研究熱點。UV光催化氧化設備是利用具有光催化活性的半導體催化劑與VOCs分子接觸,在光照條件下光催化劑產生電子空穴對,光致空穴具有的氧化性,能將其表面吸附的OH-和H2O分子氧化成OH·,利用OH·強氧化性將VOCs降解為CO2、H2O和無機小分子物質。
光氧催化氧化裝置的核心是光催化劑。目前常用的光催化劑分為兩類,一類是TiO2基光催化劑,主要是指純TiO2和改性的TiO2。另一類是非TiO2體系,比如ZnO、CdS和WO3等。其中TiO2基光催化劑運用廣泛,其來源廣、化學穩定性和催化,沒有毒性。光催化的研究內容涉及光催化劑的制備、光催化作用機理研究、光催化技術的工程化、光催化技術的各種應用研究和產品等等從基礎到應用研究等方面,并取得了大量的研究成果。但光催化技術仍存在許多問題需要解決, 先是光催化分解過程中,機理不明確,通常會產生中間產物,降解不 可能會形成二次污染問題。其次是VOCs濃度較低時,光催化反應緩慢,效率較低。同時,催化劑本身存在量子效率低(不到4%)、固定困難、催化劑能否均勻負載、催化劑失活等問題,難運用于處理數量大、的工業廢氣。因此,目前光催化技術也是處于實驗室研究階段。
3、膜分離技術
膜分離技術治理VOCs與其他膜分離過程一樣,利用 膜或人工合成膜的穿透、濾過或其他動力性質不同,將VOCs分子從混合廢氣中分離出來的技術。
膜元件是膜分離技術的裝置中心。常用的膜元件包括平板膜、中空纖維膜和卷式膜。其中中空纖維膜和平板膜通常用于分離回收VOCs,但其分離回收效率受多種因素的制約。近幾年,隨著膜材料和膜分離技術的不斷發展,技術日趨成熟,現在常用的VOCs膜分離技術有:蒸汽滲透、氣體膜分離和膜接觸器等。
膜分離技術已經成功運用于許多。 MTR公司結合壓縮冷凝和膜分離兩種技術了一種新型的膜集成分離系統來組合實現分離VOCs。處理后達標的凈化氣排到大氣中;而滲透物流為富集物的蒸汽。膜分離技術具有流程簡單、能耗小、VOCs、無二次污染等特點,是一種新型分離技術,適用于較的VOCs分離與回收,一般要求體積分數在0.1%以上。而膜材料是該技術的關鍵。膜的材質分為膜和無機膜,其中無機膜材料的研究與制備是化工和材料熱點課題之一,包括Al2O3、TiO2膜等。目前無機膜分離技術工業化運用還需解決一些問題,比如膜材料的穩定性和膜反應器的密閉性等。
通過上述VOCs的種類、排放來源、危害和VOCs常用控制技術基礎上,對低溫等離子體技術、光催化技術和膜分離技術的現狀和發展介紹得知,這三種目前都取得了 的試驗成果,有些逐漸由實驗室向工業化運用過渡。但是在各個行業VOCs種類、成分和性質等都有所差異,使用單一的VOCs治理技術難以達到較高的效率,還存在一些有待解決的問題,因而常將多種VOCs治理技術組合使用,比如活性炭吸附設備吸附催化協同低溫等離子體、冷凝一吸附濃縮和吸附一焚燒技術等,這類組合處理技術具有較強的針對性和互補性,處理效果遠優于單一治理技術。因此,新治理技術和傳統技術結合形成的組合技術在治理大氣污染具有很高的經濟效益和良好的社會效益,具有著廣闊的應用前景。