挥发性有机物治理技术研究进展及工艺对比分析

潘子亮 张丽 郑毅

1 青岛市人力资源集团有限公司 2 青岛市环境保护科学研究设计有限公司

挥发性有机物是大气中主要的污染源之一，其主要来源于工业生产、交通尾气、溶剂使用、油漆涂料、化学品、印刷、家居用品和燃烧过程等。其特点为在常温下易于从液体或固体状态转变为气体，并迅速释放到空气中，且大多数挥发性有机物的沸点较低，在室温下即可蒸发，对空气质量和生态环境带来极大威胁。

随着环境保护意识的增强，各种VOCS治理技术得到了广泛研究和应用。本文将综述已有的VOCs 治理技术研究进展，并对其进行对比分析。通过对各种技术的优缺点进行分析，为选择合适的治理技术提供参考。

1 挥发性有机物治理技术研究进展

挥发性有机物治理技术是用于减少、去除或回收VOCS排放的一系列技术和措施，主要包括吸附技术、燃烧技术、生物技术、膜分离技术等。

1.1 吸附技术

吸附技术是一种常用的挥发性有机物治理技术，通过使用吸附剂将挥发性有机物从气相吸附到固相上，其主要研究方向及进展集中于吸附剂材料的改进和优化、新型吸附剂的开发和应用、吸附过程的模型化和优化和废气处理和空气净化。

1.1.1 吸附剂材料的改进和优化

活性炭、碳纳米管、石墨烯等碳基材料具有高比表面积和可调控孔结构，能够提供更大的吸附容量和更好的选择性；使用由金属离子或簇与有机配体组成的多孔晶态材料MOFs 材料，其结构可以根据需要进行设计和调整，以提高吸附效率和选择性；使用二氧化硅、氧化铝等具有良好的热稳定性和化学稳定性的活性氧化物，可应用于高温条件下的吸附。

1.1.2 新型吸附剂的开发和应用

功能化吸附剂的研究主要是通过在吸附剂表面引入功能基团，如羟基、胺基、硫基等，增加与挥发性有机物之间的相互作用力，提高吸附性能；多功能吸附剂的研究则是结合多种吸附机理和材料，如炭基材料与金属有机框架的复合体、嵌段共聚物纳米颗粒等，以实现更高效的挥发性有机物去除。

1.1.3 吸附过程的模型化和优化

吸附动力学模型的优化通过针对不同吸附系统，利用扩散模型、表面反应模型等建立吸附过程的动力学模型，并根据实验数据进行参数拟合和验证；吸附过程优化则通过调节工艺条件（如温度、压力等）和吸附剂性能（如孔径分布、表面性质等），优化吸附过程的效率和选择性。

1.1.4 废气处理和空气净化

移动废气处理指开发小型、高效的吸附装置，可广泛应用于汽车尾气治理、印刷行业和涂装工艺等移动废气处理领域；室内空气净化是通过设计低功耗、长寿命的吸附式空气净化器，用于去除室内挥发性有机物和异味。

1.2 燃烧技术

燃烧技术是通过将挥发性有机物转化为无害的水蒸气和二氧化碳等气体，在高温条件下进行完全燃烧，其主要研究方向集中于高效能燃烧设备的设计和改进、低排放和废热回收技术、燃烧过程模拟和优化和应用于特定行业及领域。

1.2.1 高效能燃烧设备的设计和改进

采用优化的燃烧器结构和喷嘴设计，实现更好的混合和扩散，提高燃烧效率；使用辅助燃烧技术，如预混燃烧、分级燃烧、旋流燃烧等，有效增加燃烧区域和延长停留时间，提高挥发性有机物的燃烧效率。

1.2.2 低排放和废热回收技术

引入选择性催化还原（SCR）技术、非平衡等离子体（NTP）技术等，降低NOx 的生成和排放。

通过换热器、蒸汽发生器等设备，将燃烧过程中产生的废热转化为有用能源，提高能量利用效率。

1.2.3 燃烧过程模拟和优化

采用计算流体力学（CFD）模拟等方法进行数值模拟，模拟燃烧器内部的气流、温度分布和化学反应过程，优化燃烧参数和设备设计；考虑燃烧、传热和质量传递等多种物理过程之间的相互作用，进行多物理场耦合，更精确地描述挥发性有机物的燃烧特性。

1.2.4 应用于特定行业及领域

挥发性有机物特殊处理：针对特定行业如印刷、油漆、溶剂制造等，开发适用于不同类型VOCS的燃烧技术，并解决特殊挥发性有机物的处理难题。

动源燃烧治理：研究汽车尾气中挥发性有机物的燃烧控制策略，包括动力系统改进、催化转化等技术的应用。

1.3 生物技术

生物技术是指通过微生物对挥发性有机物进行吸附、降解、转化的技术，其主要研究方向集中于生物吸附技术、生物滴定技术、生物过滤技术、生物催化技术和基因工程技术。

1.3.1 生物吸附技术

利用活性生物质如细菌、真菌或植物来吸附和富集VOCS。生物吸附技术可以通过微生物代谢活动将VOCS转化为无害的产物，或者将其吸附于生物体表面。目前已经研究开发了多种具有高效吸附性能的生物吸附剂，如活性炭、生物纳米材料等。

1.3.2 生物滴定技术

生物滴定技术是利用特定微生物降解有机物的能力，在污染源处或处理系统中注入适当的微生物，使其与VOCS发生生物降解作用。这种技术可以有效地减少VOCS的排放量，但需要根据具体的VOCS种类和环境条件选择适当的微生物菌株。

1.3.3 生物过滤技术

通过利用生物膜或生物滤料来将VOCS从气相中吸附、降解或转化为无害物质。常见的生物过滤材料有植物根系、生物炭、活性污泥等。这些材料可提供大量的微生物附着表面，从而增强VOCS的生物降解效率。

1.3.4 生物催化技术

利用特定酶或细胞代谢途径来催化VOCS的降解或转化。例如，利用氧化酶类如过氧化物酶和多酚氧化酶等可以将VOCs氧化为无害产物。

1.3.5 基因工程技术

通过对微生物基因进行改造，增强其对特定VOCs 的降解能力。基因工程技术可以通过引入外源酶基因或优化内源降解途径来提高微生物对VOCS的降解效率。

1.4 膜分离技术

膜分离技术是指基于膜的选择透过性，将气体混合物中的VOCS分离出来的过程，其主要研究方向包括膜材料的选择和开发、膜模块和设备的改进、多级膜分离系统、膜表面改性、能源消耗和气体回收方面的研究。

1.4.1 膜材料的选择和开发

开发具有高选择性的膜材料，以实现对特定VOCS的高效分离，如聚酰胺膜、聚硅氧烷膜等。

1.4.2 膜模块和设备的改进

针对VOCS的物理化学特性和分离需求，对膜模块和设备进行设计和优化，以提高分离效率和稳定性；通过改变膜组件的结构和通道形状，优化气体传输和分子扩散过程，提高VOCS的分离性能。

1.4.3 多级膜分离系统

将膜分离技术与其他分离技术（如吸附、吸收）相结合，构建多级膜分离系统，以提高VOCS的回收效率和纯度并通过温度和压力的协同作用，在多级膜分离中实现更高的分离效果。

1.4.4 膜表面改性

通过对膜表面进行改性，增加膜的抗污染性和抗吸附能力，延长膜使用寿命并提高分离效率；将功能化材料引入膜结构，如石墨烯、金属有机骨架等，优化膜的分离性能。

1.4.5 能源消耗和气体回收方面的研究

通过减少膜分离过程中的能量消耗，如优化操作条件、改进循环系统设计等，实现膜分离技术的能耗降低；研究如何有效地从分离后的气流中回收和再利用VOCS，从而最大限度地减少资源浪费。

2 挥发性有机物治理技术工艺对比分析

不同的挥发性有机物治理技术具有其特点及适用范围，合理根据实际状况选择治理技术，可以有效地提高VOCS的去除效率，降低成本。

2.1 吸附技术

吸附技术主要适用于低浓度的VOCS以及噪音和能源要求较低的环境，包括：空气净化，废气处理，室内空气质量改善等。

吸附技术的优点：①高效去除：吸附剂具有高的表面积和亲和力，能够有效吸附大量的VOCS分子。②可再生性：吸附剂可以通过再生过程进行回收利用，减少资源浪费。③适用性广泛：吸附技术对不同类型的VOCS具有较好的适应性。

吸附技术目前面临的问题是随着时间的推移，吸附剂会饱和，需要定期更换或再生；且吸附剂所吸附的VOCS需要进行后续处理，以避免二次污染。

2.2 燃烧技术

燃烧技术主要适用于高浓度的VOCS和需要彻底销毁有机物的场景。应用范围主要包括：工业废气处理，危险废弃物处理，挥发性有机物的终端处理等。

燃烧技术的优点：①高效去除：燃烧技术能够将VOCS完全分解，达到极高的去除效率。②不产生二次污染：燃烧过程中生成的废气主要是CO2和H2O，不会产生新的污染物。③适用性广泛：燃烧技术对不同类型的VOCS都具有较好的适应性。

燃烧技术存在的问题：①高能耗：燃烧过程需要提供高温和足够的氧气，因此能耗较高。②NOX生成：在高温条件下，可能会生成一些氮氧化物（如NOX），这需要进行进一步处理。

2.3 生物技术

生物技术适用于低浓度的VOCS，对能源消耗要求较低，且对VOCS进行特定降解的场景。应用范围主要包括：废水处理，土壤修复，生物滤床等。

生物技术的优点：①环境友好：生物技术可以在相对温和的条件下实现VOCS的去除，减少能源消耗。②可再生性：微生物可通过培养和再生来实现反复使用。③适用性广泛：生物技术对不同类型的VOCS具有较好的适应性。

生物技术的问题：①运行条件限制：微生物对温度、pH 值和抑制物质等条件敏感，运行条件需要严格控制。②降解速率较慢：与吸附和燃烧技术相比，生物技术的降解速率较慢。

2.4 膜分离技术

膜分离技术适用于低浓度的VOCS以及对能源要求较低，需要连续操作的场景。主要应用范围包括：气体分离，水处理，溶剂回收等。

膜分离技术的优点：①高效去除：膜分离技术能够高效地将VOCS从气相中分离出来，具有高效去除能力。②选择性分离：通过选择合适的膜材料和操作条件，可以实现对特定VOCS的选择性分离。③可回收利用：膜分离技术可以将分离后的VOCS进行回收和再利用，减少资源浪费。

膜分离技术的问题：①膜污染问题：长时间运行后，膜面容易受到污染，需要定期清洗或更换膜组件。②能耗较高：一些膜分离过程需要提供一定的压力差和温度条件，因此能耗较高。

3 结语

挥发性有机物治理技术的研究进展及工艺对比分析为选择合适的治理技术提供了重要参考。各种技术在去除效率、能耗、经济性和环境影响等方面具有不同优劣，应根据实际情况进行选择。未来的研究方向包括改进技术性能、提高能源利用效率、降低处理成本，以及更加深入地研究VOCs 特性对治理技术的影响。此外，还需要开展更多的实验研究和工程应用，以验证不同技术在不同条件下的效果，并进一步改进和优化治理技术。通过持续的研究和创新，可以更好地解决挥发性有机物治理的挑战，保护环境和人类健康。