摘 要:揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)對(duì)人體和環(huán)境的危害極大,研究VOCs治理技術(shù)具有重要意義。在揮發(fā)性有機(jī)物的種類、排放來(lái)源、危害和VOCs常用控制技術(shù)基礎(chǔ)上,文章介紹低溫等離子體技術(shù)、光催化技術(shù)和膜分離技術(shù)三種新技術(shù)的現(xiàn)狀和研究進(jìn)展。目前新技術(shù)都取得一定的研究結(jié)果,但是對(duì)于不同行業(yè)的VOCs,單一處理技術(shù)仍然存在一些問(wèn)題。因此,工業(yè)上常將多種VOCs治理技術(shù)組合使用。VOCs組合技術(shù)在治理大氣污染具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益,有著廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞:揮發(fā)性有機(jī)物;VOCs治理技術(shù);低溫等離子體技術(shù);光催化技術(shù);膜分離技術(shù)
1 概述
隨著我國(guó)工業(yè)化的迅速推進(jìn),各種環(huán)境問(wèn)題日益突出,其中揮發(fā)性有機(jī)物(Volatile Organic Compounds,簡(jiǎn)稱VOCs)的污染得到廣泛關(guān)注。根據(jù)世界衛(wèi)生組織等機(jī)構(gòu)的定義,VOCs是指沸點(diǎn)在50℃-250℃的化合物,室溫下飽和蒸汽壓超過(guò)133.32Pa,在常溫下以蒸汽形式存在于空氣中的一類有機(jī)物[1]。
VOCs排放來(lái)源廣泛,且對(duì)人體和環(huán)境的危害極大,它們通過(guò)呼吸道和皮膚進(jìn)入人體后,能導(dǎo)致人體的肝、腎和神經(jīng)中樞等形成暫時(shí)性和永久性的病變,有些會(huì)產(chǎn)生“三致”效應(yīng)。VOCs污染已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注。因此,VOCs治理對(duì)于保護(hù)環(huán)境、國(guó)民健康和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展,都具有重要意義。
2 VOCs處理技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展
目前,VOCs治理技術(shù)主要有兩類:第一類是預(yù)防性措施,以更換設(shè)備、改進(jìn)工藝等為主。第二類是控制性措施,以末端治理為主。現(xiàn)階段末端控制技術(shù)是VOCs污染控制的重要手段,包括回收技術(shù)和銷毀技術(shù)?;厥占夹g(shù)主要采用物理方法,包括吸收技術(shù)、吸附技術(shù)、冷凝技術(shù)、膜分離技術(shù)等。銷毀技術(shù)主要采用化學(xué)和生物的方法,包括熱力焚燒技術(shù)、催化燃燒技術(shù)、生物技術(shù)等、低溫等離子體技術(shù)、光催化技術(shù)[2]。吸附技術(shù)、熱力焚燒技術(shù)和催化燃燒技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的傳統(tǒng)治理技術(shù)。低溫等離子體技術(shù)、光催化技術(shù)和膜分離技術(shù)是近年發(fā)展的新技術(shù),文章就這些新技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展加以介紹。
2.1 低溫等離子體技術(shù)
低溫等離子體技術(shù)是指在外加電場(chǎng)作用下,通過(guò)高壓脈沖放電在常溫下產(chǎn)生大量的高能電子、離子和自由基等活性粒子,進(jìn)而與VOCs分子作用而電離、離解或激發(fā)VOCs分子發(fā)生一系列的復(fù)雜的等離子體物理和化學(xué)反應(yīng),使VOCs降解為CO2和H2O。目前,低溫等離子體技術(shù)按放電形式可分為電子束照射法、介質(zhì)阻擋放電法和電暈放電法等技術(shù)[3]。各種放電形式獲得的高能電子的能量分布和能量密度差別很大。但由于低溫等離子體技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的優(yōu)勢(shì),因此該技術(shù)也成為VOCs治理技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。目前,研究者利用低溫等離子體技術(shù)降解乙烯、庚烷、三苯等有機(jī)廢氣,均具有良好的脫除率。但低溫等離子體技術(shù)還存在不足之處:(1)臭氧問(wèn)題,腐蝕設(shè)備,污染環(huán)境;(2)X射線輻射作用;(3)無(wú)選擇性,高能電子會(huì)降解N2和CO2,浪費(fèi)資源;(4)設(shè)備要求高,投入成本高,運(yùn)行功耗高且不穩(wěn)定。因此,等溫等離子體治理VOCs基本還處于實(shí)驗(yàn)室階段,工業(yè)運(yùn)用相對(duì)很少。
2.2 光催化技術(shù)
近幾年,光催化技術(shù)成為VOCs治理的研究熱點(diǎn)。光催化技術(shù)是利用具有光催化活性的半導(dǎo)體催化劑與VOCs分子接觸,在光照條件下光催化劑產(chǎn)生電子空穴對(duì),光致空穴具有很強(qiáng)的氧化性,能將其表面吸附的OH-和H2O分子氧化成OH·,利用OH·強(qiáng)氧化性將VOCs降解為CO2、H2O和無(wú)機(jī)小分子物質(zhì)[4]。
光催化技術(shù)的核心是光催化劑。目前常用的光催化劑分為兩類,一類是TiO2基光催化劑,主要是指純TiO2和改性的TiO2[5]。另一類是非TiO2體系,比如ZnO、CdS和WO3等。其中TiO2基光催化劑運(yùn)用最廣泛,其來(lái)源廣、化學(xué)穩(wěn)定性和催化活性高,沒(méi)有毒性。光催化的研究?jī)?nèi)容涉及光催化劑的制備、光催化作用機(jī)理研究、光催化技術(shù)的工程化、光催化技術(shù)的各種應(yīng)用研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)等等從基礎(chǔ)到應(yīng)用研究等方面,并取得了大量的研究成果。但光催化技術(shù)仍存在許多問(wèn)題需要解決,首先是光催化分解過(guò)程中,機(jī)理不明確,通常會(huì)產(chǎn)生有害中間產(chǎn)物,降解不完全可能會(huì)形成二次污染問(wèn)題。其次是VOCs濃度較低時(shí),光催化反應(yīng)緩慢,效率較低。同時(shí),催化劑本身存在量子效率低(不到4%)、固定困難、催化劑能否均勻負(fù)載、催化劑失活等問(wèn)題,難運(yùn)用于處理數(shù)量大、濃度高的工業(yè)廢氣。因此,目前光催化技術(shù)也是處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。
2.3 膜分離技術(shù)
膜分離技術(shù)治理VOCs與其他膜分離過(guò)程一樣,利用天然膜或人工合成膜的穿透、濾過(guò)或其他動(dòng)力性質(zhì)不同,將VOCs分子從混合廢氣中分離出來(lái)的技術(shù)[6]。
膜元件是膜分離技術(shù)的裝置中心。常用的膜元件包括平板膜、中空纖維膜和卷式膜。其中中空纖維膜和平板膜通常用于分離回收VOCs,但其分離回收效率受多種因素的制約。近幾年,隨著膜材料和膜分離技術(shù)的不斷發(fā)展,技術(shù)日趨成熟,現(xiàn)在常用的VOCs膜分離技術(shù)有:蒸汽滲透、氣體膜分離和膜接觸器等。
膜分離技術(shù)已經(jīng)成功運(yùn)用于許多領(lǐng)域。美國(guó) MTR公司結(jié)合壓縮冷凝和膜分離兩種技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種新型的膜集成分離系統(tǒng)來(lái)組合實(shí)現(xiàn)分離VOCs。處理后達(dá)標(biāo)的凈化氣排到大氣中;而滲透物流為富集有機(jī)物的蒸汽。膜分離技術(shù)具有流程簡(jiǎn)單、能耗小、VOCs回收率高、無(wú)二次污染等特點(diǎn),是一種新型高效分離技術(shù),適用于較高濃度的VOCs分離與回收,一般要求體積分?jǐn)?shù)在0.1%以上。而膜材料是該技術(shù)的關(guān)鍵。膜的材質(zhì)分為有機(jī)膜和無(wú)機(jī)膜,其中無(wú)機(jī)膜材料的研究與制備是化工和材料科學(xué)熱點(diǎn)課題之一,包括Al2O3、TiO2膜等。目前無(wú)機(jī)膜分離技術(shù)工業(yè)化運(yùn)用還需解決一些問(wèn)題,比如膜材料的穩(wěn)定性和膜反應(yīng)器的密閉性等[7]。
3 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)上述VOCs的種類、排放來(lái)源、危害和VOCs常用控制技術(shù)基礎(chǔ)上,對(duì)低溫等離子體技術(shù)、光催化技術(shù)和膜分離技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展介紹得知,這三種新技術(shù)目前都取得了一定的試驗(yàn)成果,有些逐漸由實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)化運(yùn)用過(guò)渡。但是在各個(gè)行業(yè)VOCs種類、成分和性質(zhì)等都有所差異,使用單一的VOCs治理技術(shù)難以達(dá)到高效率,還存在一些有待解決的問(wèn)題,因而常將多種VOCs治理技術(shù)有機(jī)組合使用,比如吸附催化協(xié)同低溫等離子體、冷凝-吸附濃縮和吸附-焚燒技術(shù)等,這類組合處理技術(shù)具有較強(qiáng)的針對(duì)性和互補(bǔ)性,處理效果遠(yuǎn)優(yōu)于單一治理技術(shù)。因此,新治理技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)有機(jī)結(jié)合形成的組合技術(shù)在治理大氣污染具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益,具有著廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1]Król S, Zabiega a B, Namie nik J. Monitoring VOCs in atmospheric air II. Sample collection and preparation[J].TrAC Trends in Analytical Chemistry,2010,29(9):1101-12.
[2]Jeong J, Sekiguchi K, Lee W, Sakamoto K. Photodegradation of gaseous volatile organic compounds (VOCs) using TiO2 photoirradiated by an ozone-producing UV lamp: decomposition characteristics, identification of by-products and water-soluble organic intermediates[J].Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry,2005,169(3):279-87.
[3]劉祥,陳文清.揮發(fā)性有機(jī)污染物處理技術(shù)綜述研究[J].科技經(jīng)濟(jì)市場(chǎng),2015,3:148.
[4]Mo J, Zhang Y, Xu Q, Lamson JJ, Zhao R. Photocatalytic purification of volatile organic compounds in indoor air: a literature review[J].Atmospheric Environment,2009,43(14):2229-46.
[5]Nishikawa H, Kato S, Ando T. Rapid and complete oxidation of acetaldehyde on TiO2 photocatalytic filter supported by photo-induced activated hydroxyapatite[J].Journal of Molecular Catalysis A: Chemical,2005,236(1):145-8.
[6]Khan FI, Ghoshal AK. Removal of volatile organic compounds from polluted air[J]. Journal of loss prevention in the process industries,2000,13(6):527-45.
[7]廖傳華,徐南平,時(shí)鈞.氣體分離無(wú)機(jī)膜的應(yīng)用及研究進(jìn)展[J].CHINA CERAMICS,2003,39(2).