工业挥发性有机物VOCs 的危害及治理技术研究

徐梦晏

（江苏锡澄环境科学研究院有限公司无锡滨湖分公司，江苏 无锡 214000）

随着我国经济建设的快速发展，工业废气排放日益增多，给大气环境造成严重的污染，最近几年，全国部分地区，尤其是重工业比较发达的城市，持续出现雾霾天气，给人们的生活和安全造成较大的影响。雾霾天气主要是由于大气中存有大量的可吸入性颗粒（PM2.5、PM10），而可挥发性有机物“VOCs”，则是在经过一系列复杂的光化学反应后，可吸入性颗粒的主要组成部分，也是引起雾霾天气的主要诱因之一。因此，本文将对VOCs 气体的来源和危害进行探讨，分析防治工业可挥发性有机物VOCs的处理技术，以供同行借鉴和参考。

1 可挥发性有机物的来源和危害

VOCs 主要包括天然和人为两种来源，天然来源主要是由火山喷发、植物释放和森林或草原火灾等引起的，主要排放物质是单萜烯和异戊二烯；人为来源主要是工业生产所采用的溶剂排放和车辆尾气排放，涉及的行业和排放的种类较多，主要包括含硫有机物、含氧有机物（醚、酮、醇、醛等）、含氯有机物、含氮有机物、非甲烷烃类（芳香烃、烷烃、炔烃、烯烃等）等，同时伴随浓度大、强度高且排放时间长的特点。例如：制造行业的油漆喷涂、油墨印刷、人造板材、玩具涂料、胶黏剂、清洁剂、防腐剂等。

VOCs 的化学成分较复杂，一般带有恶臭、刺激性等特殊气味，尤其是甲醛、甲苯等苯类物质，对人的神经系统、免疫系统、心血管系统、肝和肾等脏器造成急性或慢性中毒，可致癌或突变。根据有关统计数据显示，全世界每年约有160 万人间接或直接死于VOCs 污染，是颗粒物和NO 的第三大空气污染物。同时，VOCs 对生态环境和动植物的生长，也具有很大的破坏性。在太阳光的照射下，VOCs 分解成自由基和过氧基，引起光化学烟雾并生成二次有机气溶胶，影响大气臭氧层。

VOCs 的污染问题，已经引起世界各国的高度重视。我国自2012 年开始，由国务院批复《重点区域大气污染防治“十二五”规划》，正式提出VOCs 的防治目标，2013年再次发布了《大气污染防治行动计划》，2015 年颁布《中华人民共和国大气污染防治法》，可以看出我国在VOCs污染治理问题上的重视程度，相对于污水和垃圾治理、脱硝等，对VOCs 的防治任务已经迫在眉睫且势在必行。

2 VOCs 的处理技术

当前，对VOCs 的处理技术可以归纳为两大类，其一是在生产过程中，取替易产生可挥发性有毒有害物质的原料、在密闭空间中生产或改进生产工艺技术，来实现降低或避免VOCs 的排放。在生产过程中控制VOCs 排放，是最佳的防治有机废气污染的方法，但由于现有技术的限制，各行业生产无法全部做到，实现难度较高；第二种是在生产末端，采取一定的技术或措施，消除或降低VOCs 排放量。VOCs 末端控制技术包括采取物理和化学两种措施，物理措施是将VOCs 非破坏性回收再利用，主要包括吸附技术、吸收技术、冷凝技术和膜分离技术等，在控制VOCs 排放的同时，可节约资源并带来经济价值，适用范围较广。化学或生物处理措施，是将VOCs 破坏性处理成无毒或低毒物质，主要措施包括燃烧处理技术、生物技术。

2.1 吸附技术

当前，在对VOCs 治理领域中，吸附技术是应用最为广泛的，该技术与其他方法相比，投资低、工艺简单、净化率高且能耗低。吸附技术关键在于其中的吸附剂，常用的有活性炭、人工沸石、活性氧化铝和硅胶等，具有化学性稳定、细且密集的孔结构、耐高温高压、耐酸碱等特性。活性炭的孔容积通常为0.2～1.0cm3/g，比表面积为300～3000m2/g，与其他商用吸附剂相比，吸脱附容量更大且吸附动力更强，是首选的吸附剂。

活性炭吸附技术是利用吸附等温线弯曲度的大小和斜率的变化，改变系统的压力，以使吸附质在加压状态下吸附，在减压状态下脱附，是恒温或无热源的吸附分离过程。按照工艺方法，主要包括变压吸附（PSA）和变温吸附（TSA），变压吸附自动化程度很高，可实现循环操作，但加、减压的频繁操作，对系统设备的质量要求较高，通常用于对高档溶剂的回收；变温吸附是利用在不同温度下，吸附剂的吸附容量变化，来实现吸附和分离的循环。低温下，吸附容量高，组分被吸附。高温下，吸附容量低，已吸附的组分被脱附解吸，吸附剂再生，如此循环。常用的变温吸附设备包括移动和固定床式吸附器，移动床式设备因容易磨损吸附剂且价格较高，较少采用；固定床式设备工艺相对成熟且回收效率高，应用范围较广。

2.2 吸收技术

吸收技术是将废气排放至填料塔或喷淋塔等设备中，使吸收剂和废气充分接触，其中的VOCs 组分溶于吸收剂中，并从废气中分离。吸收技术有常压常温和常压低温两种工艺，由于常压低温吸收技术，在吸收剂冷却后，温度要控制在243K 温度以下，系统需要增加一套制冷设备，相对于常压常温吸收技术的能耗要高很多。吸收技术工艺的核心是吸收剂，不同的VOCs 气体，吸收剂类别不同。例如：当采用润滑油和植物油作为吸收剂，甲醇、四氯化碳、苯和甲苯的吸收率为70%、80%、90%和95%，当甲醇浓度＜1.34g/m3时，用水作为吸收剂效果较好。

吸收技术比较适合处理流量和浓度较高的VOCs 气体，处理浓度较低的VOCs 气体时，设备投资和运行成本较高。目前，行业内常用吸附-吸收联合技术来处理低浓度的VOCs 气体，以此降低投资和运行成本。这种工艺是利用吸附剂富集VOCs 气体，再通过真空泵解析吸附剂得到高浓度气体，最后由吸收塔吸收。没有被完全吸收的气体循环进入吸附罐内。

2.3 冷凝技术

VOCs 气体的饱和蒸汽压随着温度的变化而改变，根据这一特性，冷凝法利用系统对VOCs 气体进行加压或降温，使气态VOCs 凝结成液态，从混合气体中脱离并实现回收再利用。

在一定的温度下，混合气体中的VOCs 浓度越高，脱除效果越好，适用于处理浓度高于25g/m3、高沸点、低温度的有机废气，浓度低于25g/m3时，需要增加燃烧技术或吸附技术等作为前处理，以降低有机负荷。另外，该技术虽然工艺流程简单，但处理过程需要配备液氨或冷凝水等冷凝介质，操作条件较为苛刻。

2.4 膜分离技术

膜分离技术是利用压缩机或真空泵对废气进行加压，使废气与具有渗透选择性的聚合物复合膜表面接触，由于该膜对有机气体的渗透度约为空气的10～100 倍，所以，有机气体可以通过膜材料并从废气中分离。

常用的膜分离技术有蒸汽渗透工艺、气体膜分离和膜接触器。蒸汽渗透工艺与渗透汽化工艺类似，但采用的是硅橡胶膜，在VOCs 渗透过程中，温度不高且不会发生相变，所以相对于渗透汽化工艺效率更高且节能；气体膜分离是利用VOCs 透过膜的不同传质速率以实现分离的过程，有国外学者利用该技术对汽车加油过程中挥发的汽油进行分离，汽油的回收率高于99%；膜接触器是利用中空纤维微孔膜两侧流动的两相介质，在膜表面或膜孔内接触，避免两相直接接触而产生乳化现象，膜接触器多用于膜基吸收技术中。膜基吸收技术的关键在于吸收剂的选择，与其他技术相比，对废气所施加的压力较低且不需要VOCs 通过膜，只需两相流体各自流动并保持接触界面稳定即可。

膜分离技术对VOCs 的回收效率较高，运行成本低、操作简单且无二次污染，但前期对设备的投资费用较高，通常作为高浓度有机废气的预处理单元。

2.5 燃烧处理技术

燃烧处理技术是将废气排入燃烧室内，并向燃烧室内通入过量空气，使VOCs 燃烧，分解成CO2和H2O 的过程。根据不同的燃烧方式和温度，可区分为直接燃烧和催化燃烧。由于直接燃烧法是将VOCs 气体作为燃料，所以燃烧室的温度一般都高于1000℃，当温度不够时，需要添加辅助燃料，适用于VOCs 浓度或尾气温度较高的废气处理。当采用直接燃烧法处理含S 或N 等物质的气体时，需对燃烧后的气体再次处理。另外，由于直接燃烧过程存有明火且燃烧后的废气温度较高，需要回收部分热量，很多化工等企业不能使用；催化燃烧法是利用催化剂使VOCs气体氧化分解，其处理过程温度较低，不存在燃烧火焰，安全性较高，适用性更广。适用于催化燃烧法的催化剂多为含Cu、Fe、Ti、Pd、Pt 等元素的金属催化剂，例如：PdO/H-Beta 和Pt/H-Beta 催化剂，能够对氯化烃类VOCs 气体起到很强的催化分解作用。Au/TiOxNy催化剂，对丙醇、苯、已烷等有机气体有较好的催化作用。但是，催化燃烧法对气体处理条件的要求较为严格，当废气中含有雾滴或灰尘时，催化剂的处理效率和寿命都会受到影响，并且废气中不能含有As、P、S 等导致催化剂中毒的物质。

对于一些浓度和温度低、风量大的VOCs 气体，如果直接采用催化燃烧技术，需要耗费较多的辅助燃料，增加运行成本。所以，可利用吸附-催化燃烧技术组合，先富集一定量的有机物，再利用热空气吹扫，提高VOCs 气体的浓度和温度，为催化燃烧过程补充热量并缩短了处理的时间。

2.6 生物处理技术

生物处理技术是通过微生物的转化或降解作用，将VOCs 气体转变为低害或无害类物质。生物处理系统的生物洗涤塔中的多孔填料，其表面覆盖有生物膜，当VOCs 气体通过填料床层时，由于气体的扩散作用，有机分子将被传递到生物膜内，并与生物膜内的生物产生化学反应，生成H2O、CO2和中性盐等无机成分，实现废气的净化目的。

生物处理技术能够降解除含氯较多的有机分子外，几乎所有的有机分子，而且VOCs 气体的去除率可达95%，且该项技术设备的投资少、运行成本低，也不会出现二次污染。但生物处理技术的处理能力相对较低，不适用于浓度和风量较大的废气处理，并且无法对VOCs 进行回收利用，所以，该项技术一般用在处理恶臭类有机废气领域，例如：处理储存的饲料所散发的臭气和氨气等。

3 结束语

VOCs 气体对生物及环境有较大危害，而随着工业化程度的快速发展，污染程度和范围会进一步扩大。对于VOCs 气体的净化方案当前有很多种，而且随着技术的发展，净化技术会被不断开发和更新。但是，任何单一的VOCs 处理技术，都会受其去除能力、适用范围和成本等众多因素的影响，需要结合VOCs 的成分，优化并组合各种技术方案，以提高VOCs 的去除率，降低成本，避免二次污染，实现人类的经济发展与环境保护共存的目的。