试论挥发性有机废气治理中的光催化氧化法处理技术

段 丰

（合肥清立方环保科技有限公司，合肥 230000）

改革开放以来，我国化工行业得到了飞速发展。但是，化工生产会产生大量有害气体，如果没有有效处理就排放到空气中，会严重污染环境，导致空气质量下降，影响人们的正常生产和生活。因此，化工企业需要采取有效办法对有害气体进行处理，加大治理力度。有害气体处理方法主要有直接然烧法、光催化氧化法、吸附法、催化燃烧法和冷凝法等，本文详细研究如何利用光催化氧化法来有效处理挥发性有机气体。

1 挥发性有机废气

生产期间，化工企业要对废气进行过滤、净化和吸附，有效处理挥发性有机废气，从而使大分子的气体逐渐转化成小分子的无害无毒气体。化工生产会产生很多种废气，如挥发性的烃类、酯类、酮类等，它们与水不相溶或微溶于水，处理非常麻烦。

2 挥发性有机废气的处理方法

2.1 冷凝法

使用冷凝法处理挥发性有机废气时，先使用冷凝器将废气吸入，通过吸收、吸附、分离和冷却等有效处理废气。这样可以有效回收废气中的有机物，从而达到节约能源的目的。如果有机废气浓度很高，适合使用冷凝法，该方法在化工行业和制药业得到普遍使用。

2.2 吸附法

吸附法主要包括吸附催化燃烧法、直接吸附法和吸附回收法。吸附催化燃烧法对催化燃烧法和吸附法进行了升级，使用的吸附介质为蜂窝状活性炭，在分解和脱附以后，废气被传输到催化燃烧床处实现燃烧。催化燃烧床在燃烧时不会有火焰产生，净化作用比较明显，活性炭可以进行二次使用，从而有效降低投入成本。吸附催化燃烧法运行维护比较便利，具有较强的经济性和实用性。吸附回收法主要利用纤维活性炭来吸附有机废气，当活性炭吸收废气达到饱和状态时，使用热水蒸气对其进行有效脱附。吸附回收法对水蒸气量的要求比较高，可以有效实现纤维活性炭的脱附再生。直接吸附法操作简便，设备不烦琐，投入成本较低。但是，活性炭需要经常更换，工作量比较大[1]。

2.3 直接燃烧法

直接燃烧法是指直接燃烧燃油和其他燃料，其操作非常简单，投入成本比较低。该方法可以用于加热有害气体，使其直接转化为无害气体，然后排入空气中。

2.4 催化燃烧法

催化燃烧法是指利用加热催化反应，使有害气体转化为无害气体再排放，其投入成本不高，操作比较简单。

2.5 吸收法

吸收法具有较强的物理性，吸收液对废气进行吸收、净化，吸收液达到饱和状态时，可以对其进行处理后进行二次使用。该方法适合处理的有机废气为浓度较高、温度较低的气体，然而设备成本比较高。

2.6 光催化氧化法

光催化氧化法是指在常温下，利用光的作用，将有害气体分解成为二氧化碳、各种有机物和水等。其反应非常快，不会产生任何污染，实用性较强，在化工企业中得到普遍推广。

3 利用光催化氧化技术降解挥发性有机化合物

3.1 研发光催化剂

早期，无机气体污染物和挥发性有机化合物主要借助宽禁带半导体光催化剂实现降解。光催化氧化净化空气污染物的主要原理为以氧化锌和二氧化钛的表面反应为基础，当时并没有对其他催化剂进行研究。随着科学技术的不断发展，光催化剂种类越来越多，如无钛基催化剂和钛基催化剂等。二氧化钛是钛基催化剂的代表，有效改良了复合型二氧化钛和纯二氧化钛。复合型二氧化钛主要借助非金属掺杂、贵金属改性、过渡金属掺杂和半导体耦合等得以实现；纯二氧化钛主要借助优先暴露面、特制多孔结构、控制形状和控制尺寸得以实现。如今，光催化氧化技术在产业化应用中依然面临很多的问题，但是随着光催化剂研究的不断深入，未来其将会得到全面应用[2]。

3.2 光催化氧化降解原理

在高温、紫外线的作用下，光氧化反应可以较好地完成。在受到裂解后，空气中的氧气转化为臭氧，废气受到高能紫外线的作用，化学键出现断裂，从而产生游离状态基团或原子，在臭氧作用下，废气转化成为水和二氧化碳。

光催化反应主要在催化剂表面进行，借助半导体光催化剂对一定波长内的光响应性能进行反应，利用光子的作用，改变还原反应和氧化反应。例如，利用二氧化钛进行光催化时，二氧化钛接受特定波长的光子后，对其全部吸收，使得价带中的电子受到激发后迁移到导带，从而产生带有负电的光生电子。价带失去电子后，带有正电的光生空穴产生。产生的光生电子会与空穴重新组合，也会与吸附在表面的物质发生化学反应。光催化反应的主要原理如图1所示。

图1 光催化原理

3.3 工程应用

光催化氧化技术应用效果较好，其效率非常高，投入成本比较低，降解能力非常强，能源消耗比较低，在环境治理中得到普遍应用。光催化氧化技术可以有效处理挥发性有机化合物，得到人们的普遍认可。在治理大气污染时，光催化氧化净化技术的治理效率较高，操作比较简单，有机废气影响较小，后期维护成本较低。受科学技术水平的影响，该技术目前只能应用在工业生产中。

3.3.1 太阳光利用率低

二氧化钛是一种常见的催化剂，它对紫外线会产生响应，对可见光不会产生响应，使得光的利用范围受到限制。太阳光中，紫外线占比极低，因此光催化技术不能直接使用太阳能为反应提供必要的紫外线光照。在实际操作时，需要使用紫外灯来提供必要的紫外线需求，导致能源维护费用和消耗费用上升，严重影响设备的稳定运行。所以，要想提高光催化剂对光能的利用率，人们就要拓展光的利用范围，深入研究光催化剂。人们要深入分析可见光的响应特征，借助非金属氧化物和金属氧化物，以二氧化钛为基础，使用表面修饰、贵金属复合和离子掺杂等方法来提高光的利用率，增强催化剂的活性和稳定性，使光催化氧化技术得到广泛的运用。

3.3.2 催化剂失活与再生

催化剂的钝化属于额外支出，催化剂投入成本可以达到有机废气净化设备运行成本的30%左右。催化剂的失活可以分为六种，分别是形成气相化合物、热分解、固-固或气-固反应、破碎、催化剂中毒和结垢或结焦等。大量实践证明，使用光催化剂降解挥发性有机化合物时，随着反应时间的不断延长，催化剂的降解性能会出现下降或失活的情况，造成失活的原因与其他催化剂反应失活的情况存在差异。试验发现，二氧化钛只可以与甲苯、苯以及其他有机物进行催化反应。在光催化反应时，催化剂表面附着了一些碳水化合物，使催化剂的降解效率出现降低甚至失活的现象。

随着光催化降解挥发性有机化合物的深入，催化剂表面会附着大量累积物，最终出现失活，使得有些中间产物无法有效分解，不断累积，影响催化剂的活性。目前，催化剂失活的影响因素无法确定。催化剂的再生受失活的影响比较明显，人们可以使用氧化、机械或化学清洗等方法来清除催化剂的毒性。催化剂的成本和失活率，对催化剂的更换和再生起决定性作用。绝大多数挥发性有机化合物的催化剂成本较高，所以催化剂再生必须考虑经济性和操作是否简便。催化剂再生方法很多，如臭氧注射、氧等离子体、化学再生、变压和热处理等。

3.3.3 催化剂选择性去除

光催化技术可以有效去除挥发性有机化合物，但是工业生产会产生成分复杂的有机废气，有机物种类非常多，人们要根据实际情况选择催化剂。经过大量实践，笔者发现，二氧化钛可以有效降解二甲苯、乙苯、甲苯和气相苯等，P25/Ce对乙苯和苯具有较好的降解作用。

3.3.4 催化剂载体

利用光催化氧化消除挥发性有机化合物时，人们需要全面考虑设备的实用性，通常不使用粉体催化剂，同时催化剂必须固定在载体上。在进行固化时，光催化剂性能会出现降低，主要原因是载体选择不当或出现超负荷情况。一旦光催化氧化载体，就会影响催化剂的活性。所以，在选择催化剂载体时，人们需要充分考虑载体表面积，不断提升载体固定效果。在进行工程应用时，气体成分和外部环境比较复杂，人们一定要全面考虑载体的稳定性，还要考虑机械强度、抗氧化性和耐酸碱腐蚀性等。负载型二氧化钛光催化剂使用的载体主要包括泡沫镍、硅胶、柱撑蒙脱石、碳纳米管、活性炭、玻璃纤维和玻璃等。将二氧化钛催化剂薄膜镀在玻璃表面，使用紫外线进行照射，促使光催化剂实现对苯的高效降解。人们要正确评价二氧化钛薄膜光催化效果，受不同厚度薄膜催化剂的影响，光催化效果存在差异。使用电沉积法将二氧化钛负载到金属泡沫镍表面，以保证固定效果，实践表明，泡沫镍可以高效吸附表面的挥发性有机化合物。如今使用的载体都存在一定缺陷，玻璃等载体表面积不大；泡沫镍、玻璃纤维和活性炭纤维等载体机械性能不强，无法实现加工成型；碳纳米管等载体吸收激发波长的光或者是载体不透光，会严重影响催化剂对光的利用和吸收。

4 结语

在治理挥发性有机废气时，人们要深入研究和分析光催化氧化法，该方法具有诸多优势。化工生产要将环境保护放在首要位置，既要追求经济利益最大化，也要高度重视环境保护，促进经济实现可持续发展，创造人与自然和谐相处的生态环境。