整体式催化剂在VOCs废气处理中的应用

文_常灵 乔方天 中科芯集成电路有限公司

目前我国挥发性废气的处理成本很高，特别是在石化行业和印刷行业。在处理废气的技术方面，根据挥发性有机废气处理技术的不同原理，以及处理后产生的衍生物质的有害程度，现有的有机废气处理技术主要可分为回收式处理和消除式处理两大类。回收式处理主要是利用待回收废气的亲和特性，采用物理方法对挥发性有机废气进行处理，起到降低其危害途径的目的。回收式处理的工艺方法主要包括吸附法、缩合法和膜分离法。消除式处理则是利用挥发性有机废气的反应特性，与另一种物质结合，转化为无害或危害度小的另一种物质，是一种通过化学或生化反应处理挥发性废气的方法。消除式处理主要是利用催化剂、热力学或微生物将有机废气分子转化为无害且易于收集处理的的二氧化碳、水和小分子。主要包括等离子体处理、热氧化、催化燃烧和生物技术。本文主要研究催化剂在废气处理中的使用。

1 整体式催化剂在VOCs废气处理中的应用分析

整体式催化剂大多为蜂窝形结构，该类催化剂一般以堇青石蜂窝陶瓷为基体，在其表面上涂覆涂层作为第二载体，再负载活性组分Pt和Pd等在这类催化剂中起到关键的作用。催化剂制备之前需要了解废气中的化学成分，为后期充分反应做准备。

1.1 挥发性有机废气样本采集分析

挥发性有机废气样品由活性炭管采集，使用二硫化碳解吸，然后将待分析样品装入气囊，最后由载气带入气相色谱仪毛细管柱。实验样品经过色谱柱分离处理之后送入仪器，对废气进行成分测定和含量测定。采集的挥发性有机废气样品经解吸处理后，也同样经过分离操作，送到质量监测仪器中进行定量定性检测。最后，根据质谱和国家标准谱库对样品进行定性和定量分析。

本实验经数据库查询，并将测定数值与各相似度物质的比对，然后根据出峰时间、峰高度等参数，分析可得挥发性有机废气样品的主要成分及含量如表1所示。

表1 车间挥发性气体样品成分表

通过对实地的气体进行采样分析，使用气相色谱-质谱联用仪分析得到生产车间的挥发性有机气体主要由11种成分组成。其中含量最多的是乙酸乙酯、乙醇、异丙醇，占比分别是23.64%、16.83%、14.91%，丙二醇甲醚、乙酸丙酯类次之，剩余的丙酮，二甲苯含量甚微。

1.2 整体式催化剂处理废气过程

催化剂技术由于操作步骤简易，化学反应比较充分等优点，其在废气处理中有一定的地位。本方案考虑将催化剂各组分的优点结合起来形成互补，并对这种技术组合进行了研究。综上所述，本方案决定采用废气收集自动输送一体化催化剂设备作为生产车间挥发性有机废气处理的主要设备。利用催化剂处理废气的工艺主要包括一次破坏、二次分解及三次催化氧化。

第一，破坏需要利用超强电磁辐射和紫外线的穿透作用，以强照度紫外线光束、大功率微波辐射对有机废气进行外加强应力，通过施加高于稳态阈值的能量，打破、裂解有机废气分子的大部分分子链，改变有机废气的物质形态，以便将聚合物污染物质裂解成低分子的无害物质。

第二，催化氧化。催化剂在光照下分解时产生大量羟基自由基，羟基自由基具有较强的氧化能力，可与挥发性有机废气发生一系列连锁化学反应，将其分解为矿物盐、二氧化碳和水，没有再次污染环境的可能。在分解过程中，氧分子与催化剂反应如下：

由于臭氧具有较强的氧化性，因此本方案设计的净化装置对异味气体具有较强的去除效果。而且臭氧作为一种强催化氧化剂，可以催化挥发性有机废气的氧化，分解有刺激性气味的气体中的有害物质，破坏其结构，达到彻底消除刺激性气味以及其毒性的目的。本技术解决方案通过使用多种催化剂涂层，提高了波段激光裂解能力，同时在一定程度上增强了催化氧化能力。该方案通过一次破坏、二次分解、三次催化氧化有效净化挥发性有机废气，脱臭效果可达85%左右。处理后的排放完全符合国家恶臭污染物排放标准。

2 对比实验

收集定量的挥发性有机废气进行对比测验，以此验证本文的整体式催化剂在处理废气中的方法的可用性。本实验将投放整体式催化剂组设置为实验组，低温等离子组和光解净化组设置为对照组。

低温等离子技术利用低温等离子体产生的高能活性粒子在反应区的反应与有机废物气体分子在一系列的反应，将废气分解为水等无害物质。

光解净化技术是利用光催化剂和有挥发性的气体进行接触性反应。光催化剂在一定的光照条件下会引起电子空化现象，能够和水分子融合形成密度比较高的自由基。因为醇物质具有比较强的氧化反应，所以产物可以氧化成为二氧化碳和水，这两种物质都能够在自然界中进行自循环且对环境影响较小，废气也可以处理掉。

掌握了基本的原理之后，将三种方法进行降解效果的对比实验。

2.1 实验准备

首先将三项方法都需要使用到的仪器设备准备好。

废气收集装置，包括管道附件和电气控制设备。阻火器的主要功能是防止外部火焰进入易燃易爆危险设备而造成不必要的损坏，并能有效减少电压的危害。

阻火器的工作原理是通过喷射药剂产生一个隔离层，利用传热效应来阻止火焰蔓延。目前，市场上的灭火器主要通过小通道将火焰分流，以增加火焰和通道壁接触，达到增加散热面积的目的，火焰因冷却到燃点以下而熄灭。电柜是为了保护电气设备的正常运行。该设备由电动机控制单元和其他功能单元组成。低压配电柜的主要电气元件为ABB和施耐德产品。空开短路电流不小于35kA。

电流互感器的额定电压大于设备运行线路的额定电压。本方案设计的电流互感器的额定输出电流范围为0～5A，工作精度为0.5，需要保护接地，将一体化催化剂、低温等离子体处理装置和光分解净化装置分别放入废气储存装置中。

2.2 实验结论

对整体式催化剂、低温等离子和光解净化三种方式进行降解乙酸乙酯比率测量的结果如表2。

由表2可知，用整体式催化剂、低温等离子和光解净化三种方式对挥发性有机废气进行处理都能够达到废气处理标准。但是从详细数据来看，整体式催化剂的净化程度要更完全，其降解后所含的有毒有害元素的比率比低温等离子和光解净化方法都低很多，证实了整体式催化剂在处理废气中的可用性。

3 结语

本文所研究的投放整体式催化剂技术是在降解挥发性有机物污染方面效果显著的技术，该联用技术的主要特点是在保证较高净化去除率，降解产物无二次污染的同时，可极大地降低能耗，并且同时具有去除细菌微生物的功能。环境治理不应仅仅针对工业“三废”等污染源头，环境保护治理中使用的工艺方法、技术手段更应该做到绿色、环保、无残留、无危害。因此，在研究整体式催化剂处理VOCs废气中，首先且重点考虑的就是如何降低残留，保证衍生物质无毒、无害。催化剂应当在简单处理后能够投入反复使用，但对于将这些治理技术继续创新和降解效率，还需要进一步做大量的实验进行补充及可行性研究。

表2 实验结果表