二甲苯废气净化处理技术的研究

王进

（安徽拓维检测服务有限公司，安徽 宣城 242000）

从光催化理论诞生以来，许多科学家做了大量的研究工作：气体处理中的光催化研究已推广到实际技术，但仍停留在室内空气净化、除臭、杀菌等方面，在工业废气上的应用还相对较少。在控制气体的分布、流动、停留时间及有效碰撞等方面，工业废气中的有机物质含量远远高于内部气体，废气管理困难，油漆及绝缘行业中苯系物质含量高，处理困难。光催化是一种高效、经济的空气污染物控制技术，有处理设备低、操作简单、成本低等优点。将反应器按催化剂的现状划分为悬浮式反应器，在改进封装反应器结构基础上，开发出涂层型催化剂和包覆型反应器。后者主要用来处理气体杂质，需在以多孔光导材料为载体的涂层催化剂上进行催化分离。

一、降解处理技术

工业处理二甲苯废气方法，目前可分降解与回收技术，降解处理技术主要有燃烧法、光解法、生物法、电晕法、等离子法等，回收技术主要有吸收法、膜离法、吸附法等。选择的方法取决于二甲苯的浓度，清洁要求和利润。

二、光催化方法在二甲苯废气净化处理中的应用

鉴于二甲苯废气处理方法的多样性，为便于人们了解，本文着重对光催化方法在二甲苯废气中的净化进行了系统论述。

（一）实验试剂和仪器

二甲苯；环己烷；大气采样仪；752型分光光度计；QDF-3型风速仪；≤20nm纳米TiO2；普通TiO2；256～265rm紫外光源；QS-05B型臭氧机；HL3-2A-25A型风机。

（二）实验流程及反应器构造

水浴蒸发的气体含有一定量的二甲苯，可到达臭氧发生器。在混合室内，臭氧发生器产生一定量的臭氧，与二甲苯完全混合后进入光催化反应器，负载型催化剂与氧和臭氧共同参与紫外光下二甲苯的降解。从理论上讲，反应结束后，最终的产物为H2O和CO2。

根据工程实际运行情况，为了防止污染空气泄漏对环境的影响，一般假设风机处于负压状态，将风机安装在尾部，以增加整个系统的风量控制。

采用2.5m×1.2m×0.42m的矩形光催化反应器，将催化剂载体和光源均匀放置。催化剂通过润湿和拉伸作用于载体上，其平均负载量为40g/m3。载体为多孔结构，载体之间存在较大的空隙。气液垂直地向载体运动，并进行垂直地和平行地扩散，形成湍流状态的气流，增加了与催化剂的接触速率。

（三）分析定位和测试方法

检查分析包括二甲苯的进出口。测定方法为紫外分光光度法。环己烷和二甲苯都是易挥发、易吸收的液体，因此作为吸收液，采样时间为10min，采样数据为0.5l/min，为了减少实验误差，应尽可能快速准确地进行测量。

在同一水温下，不同浓度的进口二甲苯受水温的影响，其浓度会发生变化。试验结果表明，整机密封状况良好，前后采样点风量基本一致，风机送风对二甲苯浓度无影响。

三、结果与讨论

（一）催化剂类型对去除效果的影响

对同一工况（即相同的输入浓度、风速、温度和光照强度）进行了对比试验。每日对5组数据进行测量，取平均值作为每日平均。

标准TiO2对二甲苯的降解率相对较低，维持在60%左右，而纳米TiO2对二甲苯的降解率极高，稳定后10天，整个体系的降解率基本保持在85%以上，处理效率未见改变，说明TiO2对二甲苯具有良好的催化性能，且催化性能非常稳定。

按照 Scherrer公式，用弯曲峰的半高宽和弯曲角（20）计算出催化剂的粒径约为4.85 RM，大大小于常规TiO2。二氧化钛是一种N型半导体材料，在催化过程中，在光的作用下产生大量电子和空穴，使水中的有机污染物和二氧化碳保持较强的氧化活性。随TiO2颗粒大小的减小，电子和孔洞越多，催化效果越好。其主要原因是纳米TiO2对二甲苯的降解率比普通TiO2高得多。

针对纳米TiO2催化剂的催化性能比普通TiO2催化剂好的特点，将纳米TiO2催化剂应用于后续实验。

（二）光源强度对去除效果的影响

本试验所用紫外线光源强度为100W；10=1000W。通过将纳米TiO2放入500m3/h的空气中，并在808451臭氧作用下，考察光强度对降解效率的影响。若10个灯，5个灯，全部关掉，系统每10天运行一次，每天测量5组数据，平均值作为当天的降解效率。

在整个反应过程中，紫外光为二氧化钛提供能量，通过电子和空穴，产生新的光。从理论上说，不管电子和空穴的强度如何，都能刺激它们的产生；只要有一定波长的光能，如果所有的灯都开启，一半的灯都关闭，传输速度就会稍微下降。原因在于整个反应堆的光线分布不均，不会导致反应堆的某些区域有紫外线辐射或微弱紫外线辐射，从而导致放电速率下降。光强的变化不影响光强的变化，只要光强分布均匀，辐射范围没有明显变化。但是，如果所有的灯都关掉了，传输速度仍然是80%左右，这主要是因为催化剂表面保留了大量的空穴和电子。在反应器中臭氧吸收的许多紫外光可以为催化剂提供能量，使其产生电子和空穴，还可以使二甲苯吸附在一些气体中。当体系继续运行时，吸附量逐渐达到饱和，催化剂表面电子数和空穴数减少，反应逐渐停止，导致降解速率明显下降，经10天后，最终恢复到10%，这充分说明紫外光对反应的重要性，紫外光的波长而非强度与反应有密切关系。

为确保整个系统的均匀布光，在随后的实验中使用了10盏紫外灯，总光源强度为10×100W=1000W。

（三）臭氧对去除效果的影响

臭氧气对系统降解的影响与其发生器的启动和关闭有关。在相同的输入浓度、流量、紫外强度和结构条件下，系统对臭氧的去除率为82.6%，而在关闭臭氧的情况下，去除率为77.4%。

实验表明，臭氧对降解过程影响不大。臭氧等强氧化剂在理论上也参与了二甲苯的降解。但在光催化过程中，反应器内大量的紫外光是必不可少的，臭氧对紫外光有一定的吸收和屏蔽作用，在一定程度上削弱了臭氧对整个系统的降解作用。

（四）风量对去除效果的影响

因为整个系统依赖于连接在尾部的风扇，以保证排气与催化剂之间的接触，所以气量受排气与催化剂之间的接触速度和接触时间的影响。

随着气量的增加，反应器内残余气体不断减少，降解率从92.9%持续下降至84.3%，说明风量仍然对降解过程产生重要影响。

四、结束语

纳米TiO2由于其独特的粒径，其处理效率明显优于普通TiO2，是实际应用的首选催化剂。UV是反应的基本参数之一，它的强度对透过率的影响很小，但必须保证反应器内 UV与催化剂充分接触，使废气得到净化。在实际应用的设备设计中，以风量和入口浓度为关键点，臭氧的存在虽然有助于提高降解率，但也有屏蔽紫外线的作用，对降解率有一定的影响。若反应器尺寸固定，加气量较大，则处理效果较差。但由于风量太小，不能实现工业应用，所以在实际应用中应考虑这一问题。其中，输入浓度即反应器浓度负荷也是设计的重点之一。入口浓度直接影响污染物分子与催化剂之间的接触，负载过低或过高都无法达到最佳降解效果。研究了催化剂种类、紫外光强度、臭氧、空气容量、反应器负荷等因素对二甲苯去除率的影响。采用纳米二氧化钛作催化剂，紫外光强度达1000W，光分布均匀，空气流量1000m3/h，进料浓度350 mg/m3，臭氧进料，二甲苯平均降解率达90%以上。