光催化氧化法处理挥发性有机废气的分析研究

廖志琼

（惠东县环境科学研究所 广东惠州 516300）

近年来，随着经济的发展，化工企业的大量新起，企业环保投资力度的不够，导致了大量工业有机废气的排放，致使大气环境质量下降，给人体健康带来严重危害，给国民经济造成巨大损失，因此，需要加大对有机废气的处理。对有机废气的治理,人们早就有研究而且已经开发出一些卓有成效的控制技术如广泛采用并且研究较多的有热破坏法、冷凝法吸收法等近年来形成的新控制技术有生物膜法、电晕法、等离子体分解法、光催化氧化法等。本文重点通过光催化氧化法对挥发性有机废气的处理的分析，提出有机废气处理的有效措施。

有机废气处理是指在工业生产过程中产生的，对有机废气进行吸附、过滤、净化的处理工作。通常有机废气处理有甲醛有机废气处理、苯、甲苯、二甲苯等苯系物有机废气处理、丙酮丁酮有机废气处理、乙酸乙酯废气处理、油雾有机废气处理、糠醛有机废气处理、苯乙烯、丙烯酸有机废气处理、树脂有机废气处理、添加剂有机废气处理、漆雾有机废气处理、天那水有机废气处理等含碳氢氧等有机物的空气净化处理。

有机废气处理特点：有机废气一般都存在易燃易爆、有毒有害、不溶于水、溶于有机溶剂、处理难度大的特点。在有机废气处理时普遍采用的是有机废气活性炭吸附处理法、催化燃烧法、催化氧化法、酸碱中和法、等离子法等多种原理。各种处理方法介绍如下：

1 冷凝回收法：把有机废气直接导入冷凝器经吸附、吸收、解板、分离，可回收有价值的有机物，该法适用于有机废气浓度高、温度低、风量小的工况，需要附属冷冻设备，主要应用于制药、化工行业，印刷企业较少采用。

2 吸附法：(1)直接吸附法：有机废气经活性炭吸附，可达95%以上的净化率，设备简单、投资小，但活性炭更换频繁，增加了装卸、运输、更换等工作程序，导致运行费用增加。(2)吸附-回收法：用纤维活性炭吸附有机废气，在接近饱和后用过热水蒸汽反吹，进行脱附再生；本法要求提供必要的蒸汽量。(3)吸附-催化燃烧法：此法综合了吸附法及催化燃烧法的优点，采用新型吸附材料(蜂窝状活性炭)吸附，在接近饮和后引入热空气进行脱附、解析，脱附后废气引入催化燃烧床无焰燃烧，将其彻底净化，热气体在系统中循环使用，大大降低能耗。本法具有运行稳定可靠、投资省、运行成本低、维修方便等特点，适用于大风量、低浓度的废气治理，是目前国内治理有机废气较成熟、实用的方法。

3 直接燃烧法：利用燃气或燃油等辅助燃料燃烧，将混合气体加热，使有害物质在高温作用下分解为无害物质;本法工艺简单、投资小，适用于高浓度、小风量的废气，但对安全技术、操作要求较高。

4 催化燃烧法：把废气加热经催化燃烧转化成无害无臭的二氧化碳和水;本法起燃温度低、节能、净化率高、操作方便、占地面积少、投资较大，适用于高温或高浓度的有机废气。

5 吸收法：一般采用物理吸收，即将废气引入吸收液进净化，待吸收液饱和后经加热、解析、冷凝回收;本法适用于大气量、低温度、低浓度的废气，但需配备加热解析回收装置，设备体积大、投资较高。

6 纳米微电解氧化法：纳米微电解净化技术采用纳米级加工的压电性材料，在具有一定湿度的情况下，可以通过微电解电场产生纳米微电解材料的电性吸附并释放出大量羟基负离子对气体中的需氧类污染物进行净化，不仅可以去除空气中大部分有机物，而且还能分析如氨氮、硫化氢等无机臭气。

7 等离子法：等离子体是由克鲁克斯在1879年发现的，1928年美国科学家欧文·朗缪尔和汤克斯（Tonks）首次将“plasma”一词引入物理学，用来描述气体放电管里的物质形态。是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等活性粒子可与各种污染物如CO、HC、NOX、SOX、H2S等发生作用，转化为 CO2、H2O、N2、S、SO2等无害或低害物质，从而使废气得到净化。它可促使一些在通常条件下不易进行的化学反应得以进行，甚至在极短时间内完成，故属低浓度VOCs治理的前沿技术。

8 光催化氧化法是在一定波长光照下，利用催化剂的光催化活性，使吸附在其表面的VOC发生氧化还原反应，最终将有机物氧化成CO2和H2O及无机小分子物质。

利用UV紫外线光束照射有机废气，裂解气体中VOC类，苯、甲苯、二甲苯的分子链结构，使有机或无机高分子化合物分子链，在高能紫外线光束照射下，裂解转变成低分子化合物，如CO2、H2O等。在UV紫外线光束分解空气中的氧分子产生游离氧，因游离氧所携带正负电子不平衡，所以与氧分子结合，进而产生臭氧，臭氧具有极强的氧化作用，对挥发性的有机气体有极强的清除效果。

根据有机废气的风量及浓度的高低，选择光解催化净化设备，为使设备达到处理效果及使用寿命，废气源必须经过预处理，除去酸性气体后再进入净化设备。酸性气体易溶于水，故预处理工艺可选择水洗装置。具体工艺流程如下：

水洗装置主要分为雾化区、洗涤区、脱水除雾区。雾化区布有多组雾化喷头，喷射面覆盖整个过滤截面，喷射液滴较小和杂质的接触性能好，起预过滤作用，去除杂质的同时对后续的洗涤区也起了补充布水的作用；酸性气体等易溶于水的气体在洗涤区在多次通过液膜的过程中被去除，起到高效过滤的作用，而后有机废气再经水洗装置的脱水除雾区去除体积较大的液滴或水雾，再进入后续的净化装置，设备对酸性气体总净化效率高达95%以上。

光解催化净化设备主要由光解技术和催化氧化技术组合而成。UV高效光解净化技术是利用高能高臭氧UV紫外线光束分解空气中的氧分子产生游离氧，因游离氧所携带正负电子不平衡，所以与氧分子结合，进而产生臭氧，UV+O2→O-+O（游离氧）；O+O2→O3(臭氧)，臭氧对有机物具有极强的氧化作用。UV高效设备采用高能紫外线放电管，光子能量高达742KJ/mol和647KJ/mol，要裂解切断污染物分子的分子量的分子键，需使用发出比污染物分子的结合能强的光子能。主要有化学分子结构能见下表。

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由上表可知，大多数化学物质的分子结合能比高效紫外线的光子能低，能被有效分解。

以苯分子的光解机理为例，苯（C6H6）是最简单的芳香烃，常温下为一种无色、有甜味的透明液体，并具有强烈的芳香气味。苯难溶于水，易溶于有机溶剂，也可用为有机溶剂，苯分子键结合能150KJ/mol。

高能紫外线647KJ/mol的分解力去裂解苯分子键结合能150KJ/mol，苯环将被轻易打开，形成离子状态的C-C+和H-H+并极易分别与臭氧发生氧化反应，将苯分子最终裂解氧化生成CO2和H2O.。常见的废气污染物化学性质及物质光解氧化转换见下表。

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催化氧化技术是在设备中添加纳米级活性材料，在紫外光线的作用下，产生更为强烈的催化降解功能。纳米活性材料光生空穴的氧化电位以标准氢电位为3.0V，比臭氧的2.07V和氯气的1.36V高许多，具有很强的氧化性。在光照射下，活性材料能吸收相当于带隙能量以下的光能，使其表面发生激励而产生电子（e-）和空穴（h+）,这些电子和空穴具有极强的还原和氧化能力，能与水或容存的氧反应，迅速产生氧化能力极强的氢氧根自由基（·OH）和超级阴氧离子（·O2-）。

.OH具有很高的氧化电位，是一种氧化基团，能氧化大多数的有机污染物中的电子，使原本不吸收光的物质直接氧化分解。

大多数挥发性的有机化合物在这种紫外光能和纳米活性催化氧化的共同作用下，能在2-3秒时间内被充分降解，光解催化氧化技术对挥发性有机废气污染物具有较高的去除效率，具有如下特点：（1）净化的彻底性：光触媒是分解污染物而不是吸附污染物，发生的是质变而不是量变；对污染物具有不可逆的彻底分解；（2）净化的广泛性：几乎所有的细菌、病毒和有机污染物起到强效分解作用，特别是对人们不易感知的细菌和病毒进行彻底分解；（3）净化的安全性：最终产物是二氧化碳和水，对人体无害，不会产生类似消毒剂对环境产生的二次污染。

因此，会在未来的有机废气处理中，光解催化氧化技术将发挥重要作用。

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