VOCs有机废气处理技术研究进展

王群

（南京华泽环保工程有限公司，江苏 南京 210000）

VOCs的来源十分广泛，主要包括人为来源和自然来源。其中，大自然中产生的异戊二烯化合物和其他物质会形成VOCs有机废气，这种情况一般是不可控的。而人为来源主要是工业生产和人们的生活产生的VOCs有机废气，如煤炭燃烧、汽车排气、喷涂、涂料的使用等。人们日常生活中常见的喷涂涂料就很容易产生这种废气[1]。

1 VOCs有机废气处理技术的应用情况

1.1 VOCs有机废气监控系统缺乏科学性、合理性

目前，人们越来越关注环境保护，同时环境保护部门的监督也越来越严格，且在VOCs有机废气的管理中发挥着非常重要作用。由于废气得到了有效控制，使雾霾大幅减少。但在污染严重的地区，监控系统并不完善。因此，相关部门要加大力度改善和优化该系统。

1.2 VOCs有机废气的组成复杂,很难处理

在日常生活中，在使用涂料等过程中，会产生VOCs有机废气。这些材料生成的VOCs有机废气，会严重影响人们的神经，甚至会有致癌的危险。如果只使用单一技术治理该气体，其治理效果就不能保证[2]。因此，VOCs有机废气的处理需要使用各种处理技术，在实际处理过程中，为了最大限度地发挥其处理效果，需要选择最佳的处理方案。除了要处理的VOCs有机废气外，还需要综合考虑性能指数、建设运用成本、排放标准等各种技术因素来选择相应的处理技术。VOCs处理技术有通用的规则和标准，但在实际工业生产中，因企业排放的VOCs气体的构成和特性经常存在很大的差异，因此，很难用一个标准涵盖所有情况。所以，在实际处理过程中，常常需要在主要工序之前增加不同的工艺组合。

2 VOCs的处理技术

2.1 传统技术方法

2.1.1 冷凝法

VOCs有机废气是由工业废弃物残渣生成的。为了防止这种气体在工业废弃物残渣中产生，可以将废弃物残渣放入冷凝槽中，使其中的有机物在低温作用下自动分离，以防止VOCs有机废气的产生。该技术方法主要是基于有机气体的特性，通过气体温度的下降，有机蒸汽出现过饱和，然后液化、回收。VOCs废气基本上可以通过冷凝法进行有效的处理，但是冷凝法不能用于低浓度废气的处理。一般情况下，该技术主要应用在石油化工产品的制造、储存、运输等高浓度气体、低温条件下使用，该技术的应用效果非常显著[3]。

2.1.2 吸附法

（1）吸附再生法。该方法主要是利用纤维活性炭和粒状活性炭等吸附剂吸附有机废气，在吸附接近饱和后，为了解吸再生，使用过热蒸汽将活性炭吹回，再将水蒸气和解吸的三苯基气体冷凝分离，回收三苯基液。当废气与吸收液接触时，是采用吸收液与有机废气相似的相容性原理从废气中去除VOCs，然后VOCs被化学试剂中和、氧化、化学破坏。且吸收设备的性能和吸收的质量决定了该技术的最终效果。所以，在确保仪器性能良好的基础上，可合理选择吸收剂。吸附再生法的缺点在于需要的设备体积比较庞大，且工艺操作比较复杂；投资后运行费用较高且有二次污染产生，当废气中有胶粒物质等其他杂质时，则吸附剂容易导致工作人员中毒。但该方法也有快速解吸、良好的结露和吸附效率高等优点，因此，适用于高浓度、风量小和废气处理。此外，在实际应用中，该技术还需要进一步创新和改进。

（2）吸附催化氧化。当吸附达到相应的饱和后，可使用热风加热，除去吸附中的三苯基等废气。而且通过吸附催化氧方法，可以实现有机废气净化处理的目的。另外，还可以回收热气体，实现再利用。通过应用该方法，再综合利用各种吸附方法，可以有效解决风量大和低浓度有机废气的处理问题。但该工艺存在着设备规模投入大、工艺流程复杂、成本高、二次污染等缺点[4]。

2.1.3 催化燃烧法

气体净化的目的是通过VOCs的可燃性来实现的。一般来说，化工、绝缘材料、喷漆或其他产业在对VOCs废气进行处理时，燃烧法多于净化法，多以废气的可燃性为基础，采取直接燃烧法，可用火直接燃烧。该技术操作方法简单，投资较小，因此，催化燃烧法主要用于浓度比较高、空气量比较小的VOCs废气。

（1）预热。这是催化燃烧最常见的方法。当有机废气的温度在100 ℃以下时，浓度低，热量不能自给自足，因此进入核反应堆之前需要在预热室加热。而燃烧净化后的气体与热交换器内未处理的废气可以交换热量、回收热量。该技术一般可利用气体或电加热将温度提高到催化反应所需的熄灭温度。

（2）自身热平衡。有机废气的排出温度高于起始温度（约300 ℃左右），有机物含量较高时，换热器的回收在正常工作时能够保持热平衡的热量。一般来说，需要将电加热器安装在催化燃烧反应器中。具体工艺流程如图1所示。

图1 催化燃烧流程图

（3）吸附催化燃烧。当有机废气流量大时，浓度低、温度低选用催化燃烧需耗很多燃料时，可先采用吸附法将有机废气吸附于吸附剂上进行浓缩，然后将有机废气解吸，浓缩成高浓度有机废气（可浓缩10倍以上），此时，再进行催化燃烧不需要补充热源而维持。随着燃料减少，会产生更少的CO，但启动和冷却时间却比热氧化系统少。且低温操作可去除NOX的生成，而随着温度的下降，标准材料可以更换为昂贵的特殊材料，从而增加了RCO系统整体机械的寿命。此外，在处理卤化物和硫化物后，会生成酸性气体，需要清洗塔台进一步处理。如果废弃物催化剂不能回收利用，也需要处理，且吸气浓度不能超过25%[5]。在实际应用中，催化燃烧技术的研究随着工业生产迅速发展，而有机废气的多样性也在不断增加。因此，需要进一步提高有机废气的处理效率，这就需要研究和创新催化燃烧新技术。

2.2 新兴技术方法

2.2.1 膜分离技术

膜分离技术是利用聚合物膜的特性，通过在规定的压力下渗透到废气中，分离出有机物和VOCs，但单个阶段很难满足分离要求。而新集成的膜分离技术实现的分离是通过有机选择膜的表面，将膜分成两种流动的气体，使除去VOCs的非渗透性的纯化气体大部分直接排出，而渗透流是回收到压缩机入口的有机水。目前，石油化学、医药品、食品加工和其他产业纷纷采用这种方法。该方法具有可以回收废气中高浓度、流量小、高回收价值的有机溶剂，但通常投入成本较高。

2.2.2 生物处理技术

应用生物处理技术处理VOCs废气，是为了处理中、低浓度的废气。其优点是具有处理轻度反应条件、仪器简单、方便操作、运营成本低、二次污染小和不同特性混合气体的能力。据统计，21世纪初已有7500套设备投入运行。而有机废弃物处理法主要是以微生物的功能为基础，利用气体的生物学处理方法，通过分解有机废气中的有害物质，将其转化为水和二氧化碳等有机物。以生物洗涤塔为例，一个为吸收，另一个为生物降解，循环液从吸收室上部喷出。日本的污水处理引入了从VOCs废气中去除臭气的系统，其实际效率高达98%。这表明在现代工业生产中，用生物学方法处理VOCs废气的效果非常明显，该方法也在进行进一步的深化研究。

2.2.3 光催化氧化法

光催化氧化法是一种新的、性能优良的治理方法。第一，使用光分解，可以在短时间内分解有机废气。在光溶解的过程中，通常会生成中间物质，但这些物质可以通过长时间的光照射或氢氧化钠溶液进行处理。第二，光催化分解。该技术能够通过照射TiO2，活化紫外线，使H2O生成无OH的自由基，从而将有机废气转换为CO2和H2O。同时，在选择去除有机废气的催化剂时，可以使用普通荧光灯作为光源，去除有机废气的恶臭，降低污染浓度。但就目前的经验来看，有必要改善催化分解的技术和效果。在光催化氧化过程中还存在一些问题，如产品是否会对环境造成二次污染，以及需要进一步探索和研究的催化剂的选择等，所以，在实际工艺中尚未应用光催化氧化[6]。具体工艺流程如图2所示。

图2 光催化氧化法工艺流程图

2.2.4 等离子处理技术

等离子体技术是指在强电场下，气体放电形成的高能电子、离子、激发原子和自由基，最终在各个水平激发形成氧等离子体和臭氧，作用于VOCs，氧化分解成CO2、CO、H2O等小分子物质。该方法适用于净化低浓度（通常小于500 mg/m3）及较大空气量的有机物，也能净化室内空气。该技术的优点是VOCs可以通过低温、简单的操作和维护简单的设备及方便的开口进行去除，但需要注意排放安全，VOCs的去除率一般约为50%。

一般来说，适当的处理技术或技术组合必须要根据废气的浓度、流量、特性污染物的种类和去除率的要求进行选择。同时，还需要综合考虑设备费用、运营成本、维护成本等因素。在化学工业中，人们一般将常见的物质分为多种形态，包括固态、液态和气态。除此之外，还有低温等离子体状态，这种物质其实是一种准中性气体。其现有形态主要是聚集的，许多带正、负电荷的粒子和中性粒子。在处理低温等离子体时，会使用大量高能电子和自由基等活性粒子。这些活性粒子会以一定的频率轰炸臭气分子，使废气成分电解破裂，发生一系列的化学反应，从而达到转换有害气体的目的。这种治理方法有一定的优点，操作简单、对使用条件要求不高、占用空间小。该方法可以净化99.9%的低浓度废气，且可用于除臭和空气净化。但是，该处理技术在使用中容易产生二次污染，处理效率不高，因此不适合高浓度的废气处理[7]。

2.2.5 微波催化氧化处理技术

通过微波催化氧化技术的应用，实现了基于传统分析处理方法的处理技术的有效变革，有效地提高了废气处理技术水平。在VOCs有机废气的处理中，通过应用微波催化氧化技术，可有效提高废气的处理效率，实现低能耗。因此，该技术在使用工艺中具有很多优点，具有明显的吸附效果，且可以多次使用。同时，如果该技术与污水处理技术有效结合，其处理效果将更加明显。

2.2.6 纳米材料净化处理技术

近年来，有机废气处理技术在不断更新，其中纳米材料已经成为净化处理的新技术。该材料属于超细材料，其晶体尺寸在1～100 μm之间，其表面活性较强，因此具有较强的吸附力。纳米材料可以有效地将有机物转化为有机酸、二氧化碳、水等。在光的作用下，该材料在处理废弃物时具有良好的催化效果，可有效地提高废弃物的分解效率，因此，该材料在处理VOCs有机废气时具有很多优点，比如可用于室内空气的净化。

3 发展趋势

目前，大气污染防治及环境保护受到全球关注，近年来雾霾天气对人的影响较大。实际上，可以看到VOCs废气的组成非常复杂，各种类型的VOCs废气的有机物性能差异很大，目前还没有针对高浓度废气的理想处理方法。因此，基于目前我国各产业和领域排放的VOCs废气都具有自身特性，提出采用技术组合方法来提高废气中有机物的去除率[8]。在众多有机废气处理技术中，VOCs处理技术具有良好的应用前景，它不具有明显的二次污染，可以处理中低浓度中各种规模的有机废气。目前，由于VOCs有机废气处理技术受诸多复杂因素的影响，理论研究和实际应用也不断深入，今后的研究方向是进行新的生物净化工艺设备的开发、废气的生物净化技术的应用领域的详细研究，开发引导实际工程设计运用的生物过滤过程的实用模型。详细内容如图3所示。

图3 各种VOCs治理技术的比较

4 结语

在处理VOCs有机废气时，相关企业必须选择科学合理的处理技术，以确保废气在经济性、实用性及消耗低的基础上达到最高的处理效率。由于VOCs的组成非常复杂，很难使用相同的处理技术达到处理效果，而且经济成本很高。在这种情况下，通常可以选择合适的治理技术，进一步再进行详细研究，从而有效提高VOCs有机废气的处理水平。