挥发性有机物处理技术概述

(四川大学建筑与环境学院，四川成都，610065)

1 概述

随着我国经济的不断发展，能源消耗的大幅提升，挥发性有机物的排放也日趋上升。大量的挥发性有机物排放影响着天气状况以及人们的健康，因此受到广泛关注。挥发性有机物是大气污染物中臭氧和PM2.5的重要前驱体，也是导致灰霾和光化学烟雾的重要来源。WHO将其定义为，沸点为50～260℃之间且熔点低于室温，室温下饱和蒸气压超出133.32Pa的一系列易挥发性有机物[1]。其主要包括烃类、氧烃、氮烃以及卤代烃等。其来源也十分广泛，其中主要的来源包括油漆喷涂、石油化工、垃圾处理、污水处理、机动车尾气以及一些有机废物的生物转化等。

VOCs排放源之广，且其对人体健康以及环境生态都有着不可小看的影响。当人类长期暴露在挥发性有机物污染的环境中，可能会导致慢性中毒。挥发性有机物对人类呼吸系统，血液，神经系统，肝肾脏等都会造成损害，对皮肤、眼睛有刺激作用。同时，其有“三致”作用，特别是苯系物最为突出。

对环境而言，挥发性有机物会和大气中的二氧化氮反应生成臭氧，可形成光化学烟雾，且VOCs物种较强的光化学反应活性，也是大气中二次气溶胶的重要前体物[2]。

因此，对于VOCs排放控制迫在眉睫。不仅关系到环境问题，也是对于人类健康具有重要意义的工作。近年来，相关行业的VOCs治理工作正在不断推进。

2 VOCs处理

目前，VOCs的处理大致有两大类别，一是前端控制技术，二是末端的处理措施。目前而言，主流的VOCs的处理主要是通过末端的处理技术对其进行控制。而末端技术主要包括回收技术和销毁技术[3]。

回收技术主要包括一些以物理方法为基础的吸附、吸收、冷凝以及膜分离等技术对VOCs进行回收处理，一般适用于一些回收有用的VOCs气体的处理。销毁技术则是为一些化学或者生化反应为基，将VOCs进行破坏分解成为CO2和水分子或者一些无毒或毒性较小的小分子化合物。主要的技术包括催化燃烧、高温焚烧、生物法、等离子体以及光催化技术等。

2.1 VOCs处理技术

2.1.1 冷凝回收技术

冷凝回收技术是通过利用挥发性有机物本身的物理性质，在不同温度下，存在不同饱和蒸汽压。使挥发性有机物通过冷凝设备，挥发性有机物冷凝，从而对其进行分离操作，使气体得以净化的过程，装置如图1。

2.1.2 膜分离回收技术

该技术主要是通过天然膜或者一些人工合成的膜材料，因为不同气体的动力学性质不一致，从而对挥发性有机物进行分离。在处理时，渗透侧实用真空泵，营造两侧的一个压力差，作为动力使其过程得以进行[4]。

图1 冷凝法装置图

膜分离法主要用于有利用价值的有机化合物。并且膜分离技术的应用对VOCs的要求少，具有较好的普适性，其回收效率可观，通常可达90%以上。但该方法也存在一定的缺点，在该技术的运行中，核心技术“膜”需要定期的进行清洗，以防堵塞，其处理要求较高。

2.1.3 吸附回收技术

吸附回收技术主要是通过一些具有大比表面积的吸附剂，如活性炭，人工沸石等处理VOCs 废气。它们的吸附机理，主要是利用吸附剂所具有的孔状结构，由于吸附剂具有这种孔状结构，而且它们具有巨大的表面积，这种巨大的表面积就可以对 VOCs 进行吸附，这样就净化了 VOCs。VOCs的适宜浓度为 300-5000ppm，主要吸附回收脂肪族和芳香族的碳氢化合物。

常用的吸附剂大致上可以分为含氧(oxygen-containing)吸附剂、碳基(carbon-based)吸附剂、聚合物基(polymer-based)吸附剂。含氧吸附剂包含了如硅胶、沸石(Zeolite，又称分子筛)和金属氧化物等，通常具有高极性与亲水性；碳基吸附剂如活性炭、石墨，则具有低极性与疏水性。聚合物基吸附剂则通常通过改变聚合物的官能基，以吸附不同的物质[5]。

2.1.4 吸收技术

吸收法主要是通过利用废气组分在吸收剂中的不同溶解度来使其分离，从而废气得以净化。其过程有物理过程，也存在化学过程。吸收法的核心在于吸收剂的选择，对于吸收剂来说，必须对于废气有较大的溶解度，同时对废气应该具有较好的选择性。为了避免该方法带来的二次污染，吸收剂要便于使用、再生等[6]。

2.1.5 催化燃烧技术

催化燃烧技术主要是依托于催化剂的作用，将挥发性有机物进行氧化分解为水和二氧化碳的过程。因此其对可燃以及高温下可分解的挥发性有机物具有较好的处理效果。催化燃烧在催化剂的作用下使得所需转化温度得以降低，且对于挥发性有机物有较强的选择性，在众多处理技术当中，该方法是目前兼具经济效益的VOCs处理技术，得到广泛使用。

该技术的关键在于催化剂。目前贵金属催化剂效果最优，如Pt，Pd以及Rh等最为典型。此类催化剂通常借助于载体而使用，其具有高活性以及高选择性，但是其昂贵的价格使得在工业上的广泛应用受到了极大的限制。目前，国内外学者为了找到来源广泛，价格低廉的催化剂，发现过渡金属氧化物对挥发性有机物的去除有较好的效果，如Mn、 Cu、 Co等。且与贵金属相比，成本相对较低，但其活性仍需进一步研究改进。

2.1.6 高温焚烧技术

高温焚烧技术则偏重与浓度较高以及成分较复杂的挥发性有机物的处理。目前，被广泛运用的主要有三种炉型：一是回收式热力焚烧系统，二是蓄热式焚烧炉，三是直接焚烧炉。

但是在实际的选择过程中，则需要根据处理废气的物理化学等相关性质来选用合适的炉型已经设计合理的参数。

回收式热力焚烧系统主要是通过高温作用将挥发性有机物氧化分解为二氧化碳和水。该系统的运行成本较高。

蓄热式废气处理炉(RTO)适用于大风量、低浓度，适用于有机废气浓度在100ppm-20000ppm之间，一般的反应温度为800-900℃，废气浓度在450ppm以上是，该装置不需要添加辅助燃料，因此其操作费用较低。对于整体系统来说，操作简单，安全性也很高[7]。

直接焚烧炉使用高温氧化技术来破坏废气中有机物的结构，使其转化成二氧化碳和水排至大气中，一般使用于低废气流量，高浓度(5000ppm)热值的废气。直接焚烧炉的设备体积小，占地面积较小，初置成本较低，处理效果也较好。但也存在会产生氮氧化物的二次污染的缺点。

2.1.7 生物降解法

生物法降解挥发性有机物，该技术主要是利用微生物对有机物的氧化，生成水和二氧化碳的过程。在降解有机废气的同时，微生物以此作为碳源及能量，从而得以维持生命活动[8]。

目前，生物降解主要有以下几种设备，一是生化过滤器；二是生化洗涤器以及膜生化反应器。该技术的选择则需考虑挥发性有机物的可溶性以及可降解性，同时考虑到该技术的核心“微生物”，在降解的废气中，不适宜含有有毒物质，对废气温度要求较高，通常在5～60℃为宜[9]。因此，生物法对于处理气体的要求和限制多，大多数仍停留在实验阶段，尚未有大规模应用的工程实例。

2.1.8 低温等离子体技术

低温等离子体技术主要是依托于外加的电场的作用，电极空间里电子加速运动，电子与气体分子发生碰撞，使气体分子发生电离，离解的过程。使挥发性有机物大分子降解为二氧化碳和水或者一些较小的分子。使得污染物得以去除或转化[10]。

低温等离子其成本较高，能耗高且系统不稳定， 设备易腐蚀，且对有机物没有很好的选择性，并存在二次污染的问题。目前尚未工业化应用。

2.1.9 光催化技术

该技术主要是在一定波长的光照条件下，光生电子和空穴与离子或分子形成氧化性或还原性的自由基，进而将有机大分子进行降解的过程。光催化技术被认为是一种高效率且安全友好型的净化技术。

光催化技术的关键技术是光催化剂。光催化剂主要包括以二氧化钛为基体的催化剂和除二氧化钛以外的氧化锌，氧化钨等的催化剂。

虽然目前对于光催化的研究取得了大量的研究成果，但是光催化分解过程中，机理不明确以及VOCs浓度较低时，光催化反应较慢、效率低等缺点还是影响着其应用。目前尚未工业化应用。

3 总结

近年来，我过大气污染问题愈发严重，雾霾等问题日益突出，国家以及相关部门都对此高度重视。挥发性有机物作为大气污染物种臭氧和PM2.5的重要前驱体，国家对其排放控制着重强调。今日随着各地开征挥发性有机物的排污费，管理制度体系不断地建立和完善以及征收标准的不断完善，开征地点的不断增多，这些举措迫使各污染源头日益注重清洁生产，从源头减少VOCs的产生量和排放量。就目前的VOCs处理技术来说，可以综合不同处理技术的优点，克服单一处理技术的不足，大大提高VOCs的处理效率。

对于新型的处理技术如：光催化，等离子体以及生物法对挥发性有机物的降解，尽管还处于实验室阶段，但是他们也表现出来了自己的优点。所以对新技术的继续开发研究也成为了目前较为期待的事情。

同时，有针对性地对挥发性有机物进行处理，减少二次污染的发生。企业也应从本质出发解决VOCs问题，严格遵守排放标准。国家调控力度也应该加强，携手创造一个可持续发展以及绿色环境友好的发展模式。