涂料行业有机废气治理技术研究

2022-07-21陶美

中国科技纵横 2022年12期

陶美

（中蓝连海设计研究院有限公司，江苏连云港 222000）

0.引言

纵观现阶段涂料行业发展，零排放、零污染已然成为涂料企业的发展核心目标。作为我国重点发展行业之一，控制涂料行业有机废气的排放愈发受到人们的重视。而要想维持涂料行业的稳定、长久发展，需在严格遵循新的排放标准的前提下，充分利用先进技术来强化有机废气处理，通过绿色生产来助力我国环境友好型社会建设。因此，探讨相关治理技术在涂料行业有机废气处理中的应用，对助力涂料行业的绿色化、健康化发展有着重要影响。

1.涂料行业有机废气污染情况

现阶段我国涂料行业溶剂型涂料产量在总产量中占比超过52%，而因有机溶剂的大量应用，使得涂料行业有机废气排放呈现出逐年提升的态势，并成为大气VOCs的主要污染源之一[1]。相关研究表明，2020年我国涂料产量超过1300万t，经计算得知有机溶剂使用量超过700万t，相关调查统计显示，我国VOCs排放中涂料行业排放量占比超过13%，由此可见涂料行业有机废气排放亟需得到有效控制。涂料行业有机废气中有害物质组分包括二甲苯、丁醇、甲苯、乙酸丁酯等，且涂料生产期间研磨、混合等工序成为细微粉尘的主要产生途径，经监测得知有机废气中粉尘浓度为200mg/m³～680mg/m³，VOCs浓度处于100mg/m³～600mg/m³范围内，流量则处于5000m³/h～10000m³/h，整体特点表现为浓度低、分量大[2]。

2.涂料行业有机废气治理技术现状

2.1 直接焚烧法

当前有机废气处理中直接焚烧法的应用较为常见，主要是通过高温环境来直接处理废气，经高温焚烧后将有机废气转化为水与二氧化碳，在一定程度上降低有机废气排放对大气环境造成的危害和影响。相较于其他处理技术，直接焚烧法在成本控制、操作便捷性等方面存在显著优势，可在短时间内进行有机废气的灵活、简单处理。而该方法应用的劣势则是氮氧化物在长时间高温条件下大量产生，极易在废气排放后对大气环境造成二次污染。同时，直接焚烧工艺应用效果受到有机废气浓度的影响，若有机废气处于较低浓度状态，极易因燃烧不充分而影响到废气治理效果[3]。

2.2 催化燃烧法

该方法主要是将催化剂合理添加至废气反应体系中，废气在催化剂的作用下逐渐生成水与二氧化碳。通过使用催化剂可促进有机废气的充分燃烧，并在反应过程中抑制副产物生成[4]。该方法应用优势体现为二次污染抑制、燃烧温度要求低等。但在使用期间催化剂极易产生不稳定现象，甚至会在磷、硫、硒的作用下导致催化剂性活性破坏，不仅导致有机废气处理成本增大，同时因催化剂活性丧失而影响到最终处理效果。

2.3 吸附法

有机废气治理中吸附法的应用同样较为常见，该工艺原理主要是利用微孔结构吸附剂对有机废气进行吸附处理，通过将有机物吸附于吸附剂表面来达到有机物分离的目的，以此降低有机废气对大气环境造成的污染与影响（见图1）。目前，涂料企业废气处理过程中吸附剂以活性炭为主，因其具备孔隙多、表面积大等特点，可实现对有机废气中有机物的有效吸附，利用吸附剂控制有机物微粒数量来实现废气有效治理。另外，沸石分子筛的应用同样可取得较为显著的效果，微孔结构存在均匀性的特点，在有机废气吸附处理中可取得较为显著的成效，再加上该吸附剂存在操作便捷、能耗低等优势，可在涂料企业废气处理中进行全面推进应用[5]。

图1 有机废气吸附处理工艺

3.涂料行业有机废气治理新技术

3.1 沸石转轮+焚烧

现阶段废气治理领域中沸石转轮技术的应用愈发受到企业重视，该技术应用原理是对有机废气利用吸附-脱吸工艺进行浓缩，并利用焚烧技术使高浓度有机废气进行充分燃烧，实现对涂料企业有机废气的有效处理。相较于其他技术，该技术应用优势体现为焚烧可辅助脱吸、无需外加燃料等，能够以集成化的方式，使用一个转轮设备来完成对有机废气的吸附与脱吸。以往有机废气吸附以活性炭材料为主，在高温处理阶段存在活性炭自燃的隐患，而沸石转轮技术应用，则以专用吸附剂为主，可保证高温处理过程的稳定进行[6]。同时，若企业有机废气处理存在空间限制，则可以一个底座为载体进行吸附、脱吸、焚烧等装置的一同安设，可在提升设备维护效率的同时，提升废气处理效率。但该模式应用同样存在问题，包括无法做到对转轮涉及区域的明确界定，增大出现串气问题的出现概率；废气处理期间吸附剂材料选择沸石，可能存在利用率较低的情况，且尾气排放易超出标准要求；系统整体效能极易受到转轮密封性下降的影响。若涂料企业生产规模相对较大，则需为有机废气处理预留较大的空间场地。需注意，该工艺使用时存在输入口沸石饱和、输出口沸石未饱和现象，需第一时间对脱吸操作停止，以避免因尾气排放超标而影响到整体处理效果。

3.2 沸石浓缩+焚烧

涂料企业有机废气处理中沸石浓缩+焚烧工艺采用流动床技术，可在处理期间将填料吸附度控制在百分之百，并通过有效吸附来达到处理目标。在具体操作期间，可以静止状态进行流动床维持，无需借助额外密封技术进行流动床处理。而沸石作为吸附介质需在处理期间保持时刻流动的状态，通过相互摩擦来达到表面粉尘颗粒去除的目的，且该工艺使用无需经过过滤处理即可实现对有机废气的治理[7]。通常情况下，需将流动床的高度控制在1.2m左右，并结合有机废气处理要求、企业规模等方面的分析来确定流动床规模，并结合实际处理情况来选择合适的流动床形状。若涂料期间生产规模较大，且涉及对大流量有机废气的处理，则尽可能使用面积较大的流动床，在保持窗体恒定的前提下，通过对吸附介质的均匀分布来达到充分吸附的目的。

3.3 低温等离子处理技术

该技术应用需要以外加电场为前提，促使有机废气中污染物分子与放电形成的高能粒子进行等离子物理化学反应，最终实现将有机污染物分解成无毒害物质。目前低温等离子处理技术的应用，具体包括电子束照射法、电晕法、沿面放电法、介质阻挡法等。相较于其他处理技术应用，该工艺存在对反应条件依赖性小、分解效果显著等优势[8]。相关学者在研究中对有机污染物甲苯利用自制脉冲电晕反应器进行处理，并对脉冲频率、气体入口质量浓度、流量等参数的统计，实验结果表明脉冲频率的高低与净化效果之间存在直接关联，即脉冲频率的增高会提升净化处理效果，且净化效果随着进口质量浓度、气体流量的增大而持续下降。对有机废气中甲苯利用离子反应器进行处理，在保证工艺条件处于最佳状态的前提下，可将其去除率控制在96%以上。以介质阻挡放电为前提，对有机废气中甲苯利用不同填料进行去除，在填料混合的作用下，可将甲苯的去除率控制在97%以上。利用脉冲电晕法进行有机废气治理，以常压条件为前提，可将甲苯物质的去除率控制在99%以上。

3.4 光催化处理技术

该处理工艺应用主要是利用光催化活性，VOCs在光催化的作用下产生氧化还原反应，最终生成水、二氧化碳等物质来达到废气处理的目的。在紫外线的充分照射下，有机废气中的多氯联苯在催化作用下出现脱氮反应，并依托于半导体材料的应用来达到苯、甲醛分解的目的。目前该技术在发达国家废气治理中的应用较为常见，而国内受限于研究时间尚短的影响，使得该技术的应用仍尚存一定水平差距。当前，涂料行业对光催化氧化技术的应用仍处于研究阶段，但涂料企业可结合自身性质条件、处理要求的分析，进行光催化氧化技术的应用与尝试。相较于其他技术应用，该技术优势体现为效果显著、不存在二次污染等。

3.5 生物降解处理技术

有机废气处理中生物降解技术应用主要是利用微生物代谢活动对VOCs气体进行降解，处理工艺涉及生物过滤池、生物滴滤塔、生物洗涤器、膜生物反应器等。该技术兴起于20世纪70年代，并先后在荷兰、德国等国家得到广泛应用，相比之下我国对该技术的研究时间相对较短。相关学者发现在玻璃生物膜填料塔中使用不同填料，所取得净化效果存在一定差异，如填料采用煤渣、塑料环、瓷环、海藻石、不锈钢换、轻质陶块等，其中海藻石的净化性能最为显著，以10d为处理期限，采用海藻石可将甲苯的净化效率控制在99%以上，不仅可保证净化效率符合要求，还可有效缩减有机废气的处理周期。吴献花等人在研究中将200mg/m³～1000mg/m³的苯乙烯废气注入到生物滴滤塔中，当气体流量控制在0.2/h～0.25l/h时，其净化效率处于90%～99%[9]。依托于动力学模型的构建，进行实验值与计算值的相关性模拟，最终确定系数处于0.96～0.99。此外，相关学者在真菌生物过滤池中进行高浓度甲苯废气的注入，结合对营养物质的添加，最终取得的去除容量与效率较为显著，其中去除容量可控制在75m³/h～95m³/h。相较于其他治理技术应用，生物降解技术存在操作要求低、成本低、能耗低、常压进行等优势，在涂料有机废气治理领域中有着较为广阔的发展前景。但需注意，生物降解技术应用所需周期相对较长，且无法保证废气中生物毒性物质的处理效果能够达到预期要求。

3.6 超重力处理技术

该技术应用主要是在废气处理期间进行填料转子的高速旋转，形成的离心力可在废气处理时形成超重力环境，通过强化汽液传质过程，实现利用填料转子进行液体的切割，最终以液滴、液丝、液膜的形式得到有效处理。相较于传统塔设备的应用，该技术传质效率高出1～2数量级，且处理期间仅需更低的操作和运行成本即可实现有效处理。相关学者对有机废气利用旋转填料床进行治理，在超重力场的作用下气体中EA、IPA在吸收过程中HTU值分别提升0.01m～0.02m、0.03m～0.06m，并且随着转速的不断升高，HTU值呈现出持续增大的态势。同时，相关VOCs废气处理研究中，以IPA作为处理模型，利用超重力旋转填料床的去除率可控制在95%左右，而其HTU系数为81s-1～165s-1，气体流量则控制在150m³/h～300m³/h。

3.7 膜分离技术

膜分离技术在有机废气处理中的应用，主要是以特定压力条件为前提，在VOCs废气反应体系中使用选择性渗透的高分子膜，在渗透作用下实现毒害分子的分离。在实际处理过程中，膜分离系统会让废气进行选择性通过，并对未渗透的气体物质进行富集，通过分离处理来保证废气排放达到标准要求。相较于其他方法应用，膜分离技术的回收率可控制在97%左右，能够对废气中甲苯、甲醇、丙酮、乙腈等进行有效回收，目前在食品加工、制药、涂料、石油化工等行业得到广泛应用。