工业VOCs的危害及治理研究

张文明

（安徽新合大工程管理有限公司，安徽 阜阳 230041）

引言

随着我国社会经济的发展，工业化和城市化进程不断加快，大气环境污染问题日益凸显，尤其是区域性复合型大气污染。大气污染频次的增多和范围的逐渐扩大，不仅制约着经济社会的可持续发展，同时也危及人类健康。从大气污染的成因来看，VOCs的排放量与大气污染指数呈正相关[1]。VOCs的主要排放源是工业源，集中于石油化工、印刷、涂料及胶粘剂生产等行业，工业VOCs具有排放量大、来源复杂、有害物质种类多且行业差异性大等特点。我国针对工业VOCs的污染防治工作还处于初级阶段，防治基础较为薄弱，为了切实提升工业VOCs的治理水平，我们要加快建立VOCs污染治理的技术体系和管理体系，全面有效地开展工业VOCs的防治工作，最大限度减少VOCs的排放量，为大气环境治理奠定重要基础。

1 VOCs概述

1.1 VOCs的定义

根据世卫组织给出的定义，VOCs是挥发性有机化合物的简称，主要是指在常温常压条件下，沸点在50～260 ℃之间的有机化合物[2]。我国对于VOCs的定义是在常温下饱和蒸气压大于70 Pa，常压下沸点在260 ℃以下的有机化合物，同时还包括在常温常压条件下具有自主挥发性的全部有机化合物。

1.2 种类及性质

关于VOCs的种类，按照不同挥发性有机化合物的化学结构，可以将其分为烷烃、烯烃、炔烃、醇类、醛类、醚类、酮类、酯类、卤代烃、苯系物等几大类。一般在工业生产和生活中常见的VOCs包括甲苯、二甲苯、对二氯苯、乙苯、苯乙烯、甲醛、乙醛、三氯乙烯、二氯乙烯等，而其中甲苯、二氯乙烯、三氯乙烯等已经被确定为致癌物。从性质来看，大部分VOCs气体是无色的，但具有特殊性气味，并且具有一定的毒性、皮肤和粘膜刺激性、致畸性和致癌性。

1.3 VOCs的来源

VOCs的来源有工业源和生活源，而其中工业源是最为主要的污染来源，工业生产每年产生的VOCs气体占总排放量的一半以上。具体来看，工业源主要包括：（1）石油炼制与石油化工、煤炭加工与转化行业，这些行业会使用一些含VOCs的原料进行生产，生产过程中会产生大量含挥发性有机化合物的气体；（2）印刷行业生产中所使用的大量合成树脂包装材料、油墨、胶粘剂等，都会产生大量的VOCs排放；（3）建筑及装饰装修行业使用的一些建筑塑料板材、泡沫隔热材料以及油漆、涂料等都含有VOCs，如油漆中VOC含量为0.4～1.0 mg/m3，并且具有较强的挥发性；（4）汽车行业中汽车涂装所使用的涂装溶剂，在喷涂和浸渍过程中会有大量的VOCs挥发，另外汽车尾气也是VOCs的主要排放源；（5）电子行业如集成电路生产、显示屏生产等过程中都会产生大量的VOCs气体。除了工业源之外，我们生活中的燃煤、采暖、烹饪、吸烟以及服装干洗等都会产生VOCs气体的排放，但是相对于工业源排放，生活源排放没有那么集中，排放量也远不及工业源，因此当前VOCs治理的关键是工业治理，所采取的一些技术方法和管理举措也主要针对工业生产领域。

2 工业VOCs的危害

2.1 对环境的危害

工业VOCs排放量大且种类不一，严重危及生态环境安全。VOCs是形成PM2.5和臭氧这类二次污染物的前体物质。由于VOCs大多具有较强的挥发性，在相应的光照和压强条件下会发生分解，分解出的自由基和过氧基会与空气中的碳氧化合物及氮氧化物等物质发生反应，进而引起雾霾、光化学烟雾等大气环境问题，使空气中PM2.5的浓度显著增加。除此之外，芳烃类和氟氯烃类的挥发性有机化合物，暴露于室外空气当中，会与紫外线发生光化学反应，产生大量的氯原子，进而破坏臭氧层。臭氧层的破坏会直接导致温室效应，不仅会使全球变暖，还会影响动植物生长，降低农作物产量，增加动物患病风险，最终使得整个生态系统遭到破坏，严重危及生态安全。

2.2 对人体的危害

VOCs大多具有特殊性气味，一般是散发恶臭和带有刺激性的气味，并且还含有大量的毒害物质，对人体健康有极大威胁。工业VOCs对人体健康的危害主要表现在以下三个方面：首先是对人体感官系统的危害，包括感官刺激、粘膜刺激，人体一旦吸入刺激性的VOCs气体，其最先作用于感官和黏膜，会使人感到眼睛、皮肤干涩，并且刺激眼黏膜、鼻粘膜和呼吸道黏膜，进而引发一些呼吸系统方面的疾病，如呼吸道感染等。其次是对神经系统和脏器系统的损害，长期生活在VOCs超标的环境下，尤其是甲醛、甲苯超标，会损害人体的中枢神经系统，引发头晕、恶心、记忆力衰退等情况，甚至还会引发败血症、白血病，影响人体造血器官的功能。除此之外，一些羟基甲酯类的VOCs气体会导致肺中毒；三氯乙烯、二氯乙烯这类VOCs气体会引发肝脏中毒，影响人体正常的新陈代谢；四氯乙烷、乙二醇类会引发肾脏中毒。最后就是一些工业VOCs已经明确被列为致癌物，因此长期吸入还会引发一些基因毒性和癌变。

2.3 对生产的危害

工业VOCs除了会造成环境污染和危及人体健康外，对工业生产本身也有一定危害。近年来多起工业安全生产事故都是由于VOCs气体浓度过高导致爆炸所引起的。在工业生产中，乙烯、丙烯这类脂肪烃类物质应用广泛，而这一类物质本身具有易燃易爆性，一旦超过一定的浓度，还具有较强的毒性。其本身性质不稳定，即使浓度较低，但如果存在生产监管不到位或技术操作失误等情况，也很容易引发火灾甚至爆炸，进而导致生产事故的发生，造成一定的人员伤亡和财产损失，影响生产安全。

3 工业VOCs的治理方法

从技术层面看，针对工业VOCs的治理方法包括物理回收和化学分解两大类，物理回收包括吸附法、吸收法和冷凝法；化学分解包括燃烧法、生物处理法、光催化法等。

3.1 吸附法

吸附法是物理回收技术的代表，在工业VOCs治理方面有比较广泛的应用。该方法主要利用一些有密集细孔结构的材料对VOCs气体进行吸附，从而去除有机废气中的有害物质，减少废气排放对大气环境带来的危害。作为吸附有害物质的吸附材料，必须具有化学性质稳定、耐酸碱、耐高温高压、不易破碎且对空气阻力小的特性。常见的、性能比较良好的吸附材料包括活性炭、沸石、活性氧化铝、硅胶等。这类吸附材料主要属于物理吸附材料，他们共有的特征是内部为多孔结构、比表面积大、吸附效果较好且适用范围较广。尤其是活性炭，除了可以进行物理吸附外，活性炭表面含有的一些氢氧化物，还能与所吸附的VOCs发生反应，更有助于后续进行VOCs的综合利用。该治理技术一般适用于污染物浓度低于2 000 mg/m3的有机废气处理，其优点在于操作简便、常温下可使用。但是由于该吸附治理是将VOCs从气相固定到自身，没有从根源上消除或分解污染物，仍然存在恢复不完全的情况。活性炭、沸石类的吸附材料再生成本较高，因此开发低成本、高效率的吸附材料是工业VOCs吸附治理技术未来应用研究的主要方向。

3.2 吸收法

吸收法也是治理工业VOCs常用的一类物理回收技术。该方法运用相似物相溶的原理，利用煤油、柴油等挥发性较低的溶剂或是一些专门的吸收剂，对工业VOCs进行吸收溶解。在完成吸收溶解后，再利用VOCs和吸收溶剂两者物理性质和化学结构的差异，对其加以分离。这种治理方法对于高浓度有机废气或大风量、低浓度的有机废气具有良好的治理效果，在石油化工生产中运用广泛，且相比于吸附法来说，吸收溶剂使用成本较低。但是在采用这一技术进行工业VOCs治理时，需要定期更换吸收溶剂，更换后还存在废水处理的问题。在后续的技术治理过程中，相关人员可以尝试将该方法与其他技术手段联合使用。

3.3 冷凝法

冷凝法也是工业VOCs物理回收治理的代表，相比于吸收法、吸附法，可以说是物理回收技术中应用最为简单的方法。冷凝法运用物理学的温度和压强原理，由于工业VOCs在不同温度下有不同的饱和蒸气压，据此采用降低系统温度或提高系统压力的方法，使处于蒸汽状态的VOCs冷凝，冷凝后会呈液态，这样就很容易将其从废气中分离出来。冷凝法在进行工业VOCs治理时，大多是利用冷凝装置来进行冷凝回收，其优点在于可以通过调节反应压力、温度等实现对工业VOCs不同程度的净化；同时该治理手段受外界环境温度和压力的影响较小，并且由于是低温操作，对于一些易燃易爆的工业VOCs物质来说具有较强的安全性，其对于高沸点、高浓度的工业VOCs具有较好的治理效果。但是该方法要使用专用装置，应用成本较高，相关设备运行操作要求相对较为严格。同时，由于该方法更加适用于处理高浓度工业VOCs，因此处理后的VOCs可能仍然无法达到排放标准，还需要结合吸附法和吸收法进行二次净化。

3.4 燃烧法

燃烧法是目前为止在化工行业VOCs处理中应用最为广泛且技术相对成熟的一类化学分解治理手段。该方法的主要原理是通过氧化燃烧，对工业VOCs中的碳氧化物进行分解，进而达到去除的目的。燃烧法可以分为直接燃烧、催化燃烧和蓄热燃烧三种类型。

3.4.1 直接燃烧

大部分工业VOCs中都含有氢、氧、碳这几种元素，因此具有较强的可燃性，利用燃油或燃气作为燃料对其进行直接燃烧，可以使其在高温作用下生成无毒害的二氧化碳和水。直接燃烧更加适用于高浓度、高热值且不具有回收利用价值的工业VOCs气体。如果挥发性有机化合物浓度过低，则需要添加更多的辅助燃料，相应的直接燃烧成本就比较高。直接燃烧治理的工艺较为简单，适用于印刷及涂装行业的污染治理，但是其对安全性要求较高。

3.4.2 催化燃烧

这种燃烧分解的方式主要是先将工业VOCs气体预热，再借助催化剂，通过催化床层的作用，在较低温度和较短时间内完成快速燃烧分解。这种方法相比于直接燃烧，安全性较高，并且燃烧较为充分，所产生的二次污染物较少。目前比较常用的催化剂是金属催化剂，主要有Pt、Pd、Rh等，虽然催化活性较高但是价格比较昂贵，同时在处理一些卤代烃类的挥发性有机化合物时，由于其中含有N、S、P等元素，有机物易发生氧化作用，使催化剂失活。

3.4.3 蓄热燃烧

这是一种比较先进的工业VOCs燃烧处理技术，该技术简称为RTO。蓄热燃烧属于一类热氧化法，是应用热氧化和催化氧化技术破坏工业生产排放废气中挥发性有机化合物的方法。蓄热式热氧化器与目前国内所使用的其他热氧化技术最大的不同在于，该技术主要是使用陶瓷或其他高密度惰性材料床从排出燃烧的气体中吸收并存储热量，储存的热量用于预热新进入的有机废气，燃烧时还可以供给燃烧室一部分热量。该治理技术可以达到98%以上的热回收效率，同时对于VOCs的去除率高达99%，非常适用于高浓度、成分复杂且难分解的工业VOCs治理。

3.5 生物处理法

生物处理是治理工业VOCs的新兴技术手段。生物处理法主要利用微生物降解原理，通过培养对工业VOCs具有降解作用的微生物，完成对工业VOCs的降解及转化。生物处理技术包括生物吸收法和生物过滤法两种：（1）生物吸收法是将微生物及其营养物配料存于液体中，有机废气中的有害物质与悬浮液接触后转移到液体中，从而被微生物所降解；（2）生物过滤法是将微生物附着于多孔性介质填料表面，引导废气通过材料，其中的VOCs可以被吸附在多孔介质表面，材料表面的微生物发挥相应的降解作用，将其转化为二氧化碳、水和中性盐等无机物。用该技术方法治理工业VOCs具有设备简单、运行成本低且无二次污染等优点。但是微生物对邻苯二甲酸酯类物质等有机污染物降解效率不高，且需要定期添加和更换营养基，对于废气温度和流量也有一定要求，因此使用时需要考虑工业VOCs的类型。

4 结语

综上，工业VOCs对生态环境、人体健康、安全生产都有一定危害，加强对工业VOCs治理技术的应用研究，做好综合防治工作，是减少工业VOCs危害，实现工业绿色环保与可持续发展的关键所在。