揮發性有機廢氣(VOCS)是指沸點在50~260 ℃、室溫下飽和蒸氣壓超過133.3 Pa的易揮發性有機化合物,其主要成分為烴類、硫化物、氨等。有機廢氣是有害人體健康的污染物質,它與大氣中的NO2反應生成O3,可形成光化學煙霧,并伴隨著異味、惡臭散發到空氣中,對人的眼、鼻和呼吸道有刺激作用,對心、肺、肝等內臟及神經系統產生有害影響,有些則是影響人體某些器官和機體的變態反應源,甚至造成急性和慢性中毒,可致癌、致突變,同時可導致農作物減產。因此,VOCS處理越來越受到各國的重視,許多發達國家都頒布了相應的法令以限制VOCS的排放,已成為大氣污染控制中的一個熱點。目前國內外對揮發性有機廢氣處理開展了大量的研究和應用,下面將對這些處理技術加以介紹。
1、吸附處理技術
吸附法是利用多孔性固體吸附劑處理流體混合物,使其中所含的一種或數種組分濃縮于固體表面上,以達到分離的目的。吸附法在VOCS的處理過程中應用極為廣泛,主要用于低濃度高通過量有機廢氣(如含碳氫化合物廢氣)的凈化。該方法去除率高,無二次污染,凈化效率高,操作方便,且能實現自動控制;不足之處是由于吸附容量受限,不適于處理高濃度有機氣體,當廢氣中有膠粒物質或其它雜質時,吸附劑易失效,同時吸附劑需要再生。
吸附法的關鍵問題就在于對吸附劑的選擇。吸附劑要具有密集的細孔結構,內表面積大,吸附性能好,化學性質穩定,耐酸堿,耐水,耐高溫高壓,不易破碎,對空氣阻力小。常用的吸附劑主要有(顆粒狀和纖維狀)、活性氧化鋁、硅膠、人工沸石等。目前在采用吸附法治理有機廢氣中,的性能好,其去除率高。
2、催化燃燒處理技術
催化燃燒技術(AOGC)是指在較低溫度下,在催化劑的作用下使廢氣中的可燃組分徹底氧化分解,從而使氣體得到凈化處理的一種廢氣處理方法。該法適用于處理可燃或在高溫下可分解的有機氣體。催化燃燒主要具有以下優點:①為無火焰燃燒,安全性好;②對可燃組分濃度和熱值限制較小;③起燃溫度低,大部分有機物和CO在200~400 ℃即可完成反應,故輔助燃料消耗少,而且大量地減少了NOx的產生;④可用來消除惡臭。但是其缺點是工藝條件要求嚴格,不允許廢氣中含有影響催化劑壽命和處理效率的塵粒和霧滴,也不允許有使催化劑中毒的物質,以防催化劑中毒,因此采用催化燃燒技術處理有機廢氣必須對廢氣作前處理。同時該法不適于處理燃燒過程中產生大量硫氧化物和氮氧化物的廢氣。
3、液體吸收處理技術
在廢氣治理工程中,液體吸收法是常用的方法之一。該法不僅能消除氣態污染物,還能回收一些有用的物質,可用來處理氣體流量一般為3000~15000m³/h、濃度為0.05%~0.5%(體積分數)的VOCS,去除率可達到95%~98%。
該技術采用低揮發或不揮發液體為吸收劑,通過吸收裝置利用廢氣中各種組分在吸收劑中的溶解度或化學反應特性的差異,使廢氣中的有害組分被吸收劑吸收,從而達到凈化廢氣的目的。
4、生物處理技術
將有機生物降解過程應用于有機廢氣的凈化處理是近幾年才開始的,是一項新興的技術。由于微生物對各種污染物均有較強、較快的適應性,并可將其作為代謝底物而降解、轉化。因此,與傳統的有機廢氣處理技術相比,生物處理技術具有處理效果好、及運行費用低、安全性好、無二次污染、易于管理等優點;同時,由于廢氣生物處理吸收劑的再生可直接通過吸收劑中微生物的作用來實現,而不需要像理化吸收和吸附那樣的專門設備,從而簡化了工藝流程和工業設備,降低運行操作費用。所以,生物處理技術已逐漸成為研究的熱點課題之一。
5、光催化氧化處理技術
光催化氧化法是近年來日益受到重視的污染治理新技術。對VOCS降解率可達到90%~95%。該技術是指在一定波長光照下,利用催化劑的光催化活性,使吸附劑在其表面的VOCS發生氧化還原反應,終將有機物氧化成CO2、H2O及無機小分子物質。光催化氧化具有選擇性,反應條件溫和(常溫、常壓),催化劑無毒,能耗低,操作簡便,價格相對較低,無副產物生成,使用后的催化劑可用物理和化學方法再生后循環使用,對幾乎所有污染物均具凈化能力等優點。
6、低溫等離子處理技術
低溫等離子體技術又稱非平衡等離子體技術,是在外加電場的作用下,通過介質放電產生大量的高能粒子,高能粒子與有機污染物分子發生一系列復雜的等離子體物理化學反應,從而將有機污染物降解為無毒無害物質。低溫等離子技術主要有電子束照射法、介質阻擋放電法、沿面放電法和電暈放電法等。
7、膜基吸收技術
膜基吸收技術是采用中空纖維微孔膜,使需要接觸的兩相分別在膜的兩側流動,兩相的接觸發生在膜孔內或膜表面的界面上,這樣就可避免兩相的直接接觸,防止了乳化現象的發生。與傳統膜分離技術相比,膜基吸收的選擇性取決于吸收劑,且膜基吸收只需要用低壓作為推動力,使兩相流體各自流動,并保持穩定的接觸界面。膜基吸收技術處理有機廢氣,具有流程簡單、VOCs回收率高、能耗低、無二次污染等優點。該凈化技術對極性和非極性揮發性有機廢氣均能去除,小流量和大流量均能適用,而且它是一個連續過程,凈化有機污染廢氣的效率很高,且可回收有機物。
在有機廢氣處理技術中,吸收和吸附技術雖然較為成熟和成型,但由于其處理設備容量有限,吸附劑需要再生等問題使得應用受到限制。光催化氧化技術作為近年發展起來的新研究領域,由于存在設備成本較高和處理對象較單一等問題,尚處于實驗室研究階段,但通過不斷的技術創新和開發,該技術也將會走進有機廢氣處理的實用化行列。催化燃燒技術不僅可以處理低、高濃度的有機廢氣,而且設備簡單,少,操作方便,凈化徹底,因此是目前應用廣泛的、經濟有效的處理技術。目前該技術正以研制新型催化劑,如何防止催化劑因非VOCs物質造成的失活和重金屬造成的中毒作為研究方向。生物處理技術因其耗能低、運轉費用便宜,較少形成二次污染,適用于不同規模的各類中、低濃度有機廢氣的處理,目前正受到各國的重視,工業應用實例和應用領域也在不斷地擴大,是一種很有應用前景的技術。今后生物處理技術將不同填料的性能研究,不斷改進設備結構和工藝條件,重視對不同菌種處理能力的研究作為其研究的重點;低溫等離子技術適于各類VOCs的治理,處理效率高,無二次污染物產生,易操作,特別適用于氣體流量大、濃度低的有機廢氣的處理。目前該技術的研究尚處于實驗室階段,今后將會向多方向、多層次發展,如等離子體反應器的設計和研制,反應器長時間運行過程中保證VOCs處理效率穩定方法的研究等。膜基吸收凈化技術有它的特點和優勢,但在優勢膜和吸收液的選擇上還要進行潛心研究,而且操作壓力的控制也是此技術的關鍵所在,目前該技術的研究也僅限于實驗室階段。
總之,在目前已經開發應用和研究的有機廢氣處理技術中,生物處理技術、催化燃燒技術、低溫等離子技術、光催化氧化技術和膜基吸收技術不僅能夠有效地解決傳統技術對處理低濃度、大氣量有機廢氣不適用的難題,而且具有少、運行費用低,廢氣停留時間短,高效、穩定、反應徹底且無二次污染的特點,同時還克服了傳統方法運行費用高、反應器龐大等缺陷,相信在今后的VOCs污染治理領域更具發展前途。
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