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隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高,空氣中的揮發(fā)性有機物(VOCs)污染問題日益受到人們的重視。VOCs是指空氣中存在的室溫下蒸氣壓大于70.9lPa,沸點260℃以下的揮發(fā)性有機物質(zhì),被視為列為粉塵之后的第二大類空氣污染物。1990年美國《清潔空氣法》修正案列舉了189種有毒有害物質(zhì),其中大部分是VOCs。1993～2003年我國相繼頒發(fā)了《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》、《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》和《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,因此,開發(fā)適用的VOCs治理技術(shù)已刻不容緩。

由于廢氣中VOCs污染物往往濃度低(<3000mg/m3),氣量大、污染面廣,如熱力焚燒、催化燃燒、冷凝、吸收和吸附等傳統(tǒng)的處理技術(shù)往往不適用,不是其處理效果達不到要求,就是投資或運行成本太高,迫使人們尋求和開發(fā)新的適用技術(shù)。

近年來,低溫等離子體、光催化氧化和生物處理等新技術(shù)在處理低濃度VOCs廢氣方面已顯示出其技術(shù)優(yōu)勢和很好的市場前景,本文將介紹這些新技術(shù)。



1低溫等離子體技術(shù)

1.1原理
等離子體是含有大量電子、離子、分子、中性原子、激發(fā)態(tài)原子、光子和自由基等組成的物質(zhì)的第四種形態(tài)。其總正負電荷數(shù)相等宏觀上呈電中性,但具有導(dǎo)電和受電磁影響的性質(zhì),表現(xiàn)出很高的化學(xué)活性。根據(jù)體系能量狀態(tài)、溫度和離子密度,等離子體通常可分為高溫等離子體和低溫等離子體(包括熱等離子體和冷等離子體)。高溫等離子體的電離度接近,各種粒子的溫度幾乎相同,并且體系處于熱力學(xué)平衡狀態(tài),它主要應(yīng)用于受控?zé)岷朔磻?yīng)研究方面。低溫等離子體則處于熱力學(xué)非平衡狀態(tài),各種粒子溫度并不相同。

低溫等離子體可通過前沿陡、脈寬窄(納秒級)的高壓脈沖放電在常溫常壓下獲得,其中的高能電子和O˙、OH˙等活性粒子可與各種污染物如CO、HC、NOX、SOX、H2S、RSH等發(fā)生作用,轉(zhuǎn)化為CO2、H2O、N2、S、SO2等無害或低害物質(zhì),從而使廢氣得到凈化。它可促使一些在通常條件下不易進行的化學(xué)反應(yīng)得以進行,甚至在極短時間內(nèi)完成,故屬低濃度VOCs治理的前沿技術(shù)。

1.2研究進展
低溫等離子體主要是由氣體放電產(chǎn)生的,與現(xiàn)代工業(yè)關(guān)系密切,應(yīng)用十分廣泛。按放電方式可分為輝光放電、電暈放電、介質(zhì)阻擋放電、射頻放電及微波放電等。脈沖電暈是一種新型等離子體技術(shù),屬于冷等離子體,可在常壓、低溫下工作且電子能量適中,因此通常被用于處理VOCs等有害氣體。在20世紀(jì)80年代中期由Masuda和Mizuno等首先提出,目前在中國、日本、俄羅斯和加拿大等國家都有研究[1,2]。

FutamuraS等[3]對有害大氣污染物(HAP)在低溫等離子體化學(xué)處理中金屬氧化物的催化活性進行了研究,在沒有MnO2作催化劑時,苯的摩爾轉(zhuǎn)化率為30%,而在有MnO2作催化劑時,苯的轉(zhuǎn)化率可高達94%。KangM等[4]在常壓下用等離子體TiO2催化體系去除初始濃度為1000mg/m3的甲苯廢氣,僅有O2等離子體沒有TiO2催化劑時,甲苯去除率為40%;在TiO2/O2等離子體下,去除率達到70%;在O2等離子體中,TiO2負載于γ-Al2O3上時,甲苯的去除率達到80%。這些研究表明,利用等離子體與催化反應(yīng)的協(xié)同效應(yīng),以提高有機廢氣凈化率、降低能耗是成功的。

近些年,國內(nèi)學(xué)者對低溫等離子體的研究也在深入。于勇等[5]用介質(zhì)屏蔽降解CF3Br,降解率達到55%。李鍛等[6]將雙極性脈沖高壓引入介質(zhì)阻擋反應(yīng)器對氯苯和甲苯的分解特性進行了實驗研究。而以馮春楊[7]、晏乃強[8]和黃立維[9]等人開展了脈沖電暈去除多種有機廢氣的研究,初始濃度為76.8mg/m3,苯的去除率達到61.4%,并對比了線—筒式和線—板式二種反應(yīng)器對甲苯的去除率,在以Mn、Fe等作為催化劑時,可使去除率提高,催化劑活性的排序為Mn>Fe>Co>Ti>Ni>Pd>Cu>V,在去除各種有機廢氣中,甲醛最易去除,二氯甲烷最難,甲苯、乙醇、丙酮則處于其間。周遠翔[10]等還應(yīng)用低溫等離子體技術(shù)處理粉塵中二英,去除率達81%。
因此,低溫等離子體技術(shù)應(yīng)用的可行性和條件試驗已較充分,也有了大量理論基礎(chǔ);已為這項工藝簡單、適用性強、流程短、能耗低、易于操作和自動化的新技術(shù)早日工業(yè)化打下了充分的基礎(chǔ)。



2.光催化技術(shù)
2.1作用機理
近年來,光催化技術(shù)處理氣態(tài)污染物也愈來愈受到世界各國的重視。研究表明,該技術(shù)在常溫、常壓條件下能將廢氣中的有機物分解為CO2、H2O和其它無機物,有較大潛在應(yīng)用價值。自l972年日本FujishimaHondaL發(fā)現(xiàn)TiO2單晶電極分解水以來,標(biāo)志著納米半導(dǎo)體多相光催化新時代的開始,在多相光催化反應(yīng)所應(yīng)用的半導(dǎo)體催化劑中,國外通常采用TiO2粉末作為光催化劑降解苯系物[11],但TiO2的禁帶較寬,能利用太陽能僅占總太陽能的3%,為了提高太陽能的利用率,各國學(xué)者圍繞高活性納米TiO2的制備、多相光催化機理及提高TiO2的光催化效率等方面作了大量的探索工作。

納米TiO2為n-型半導(dǎo)體,具有三種不同晶相結(jié)構(gòu):銳鈦礦型(Anatase)、板鈦礦型(Brookite)、金紅石型(Rutile)。其中銳鈦型TiO2具有較高的光催化氧化能力,其禁帶寬度為Eg=3.2eV,相當(dāng)于波長為387nm光的能量,處于紫外區(qū)。在紫外光作用下它的價帶上的電子(e-)就可以被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶,在價帶上產(chǎn)生相應(yīng)的空穴(h+),隨后h+和e-與吸附在TiO2表面上的H2O,O2等發(fā)生作用,生成˙OH,˙O2-等高活性基團,當(dāng)然產(chǎn)生的空穴和電子還有復(fù)合的可能。其機理如下:



對于純的TiO2而言,當(dāng)受到波長λ=387.5nm的紫外光照射時會產(chǎn)生光生電子(e-)和光生空穴(h+)。E-和h+也能夠重新合并,使光能轉(zhuǎn)化為熱能而散失;當(dāng)有適當(dāng)?shù)姆@劑或表面空位時,e-與h+的復(fù)合會受到抑制,氧化還原反應(yīng)就會發(fā)生。光生電子的俘獲劑主要是吸附在TiO2表面的O2。O2吸收電子后,可以生成H2O2和一系列自由基。光催化體系中OH˙是主要的自由基,該自由基具有很強的氧化作用,且其氧化作用幾乎無選擇性,可以氧化包括難生物降解的化合物在內(nèi)的多種有機物。光生電子也可與O2、H2O等物質(zhì)反應(yīng)生成一系列自由基,進而氧化有機物,從而達到消除污染物的目的。
 
 

2.2研究進展
TiO2光催化技術(shù)對工業(yè)廢水具有很強的處理能力,應(yīng)用已較廣泛。而利用TiO2作為光催化劑凈化空氣的技術(shù)在國外已逐漸成熟,但在國內(nèi)的研究屬方興未艾。

空氣中大部分有機污染物均可用TiO2光催化氧化去除,文獻報道了對烯烴、醇、酮、醛、芳香族化合物、有機酸、胺、有機復(fù)合物、三氯乙烯等氣態(tài)有機物的光催化降解,其量子效率是降解水溶液中同樣有機物的10倍以上。Vorontsov等[12]對TiO2氣相光催化降解(C2H5)2S時發(fā)現(xiàn),主要氣相產(chǎn)物包括(C2H2)2S2、CH3CHO、CH3CH2OH、C2H4以及微量產(chǎn)物CH3COOH、C2H5S(CO)CH3和SO2。
國內(nèi)對于TiO2光催化應(yīng)用于廢氣處理還比較少見,近幾年主要針對室內(nèi)空氣和低濃度苯系物作了初步實驗研究和動力學(xué)探討,詳見表1。

人們還注意到具有磁性的光催化可利用磁場使TiO2易于回收,因此開展磁性TiO2光催化劑的性能研究和制備探索,利用TiO2光催化懸浮體系反應(yīng)比表面積大的特點,以制造出新的高效光催化反應(yīng)器。

3生物凈化
3.1 凈化機理
土壤是微生物的大本營,早在1957年,美國就發(fā)明了用土壤過濾法對H2S除臭的專利,當(dāng)時的技術(shù)僅僅是由布氣管上覆蓋土壤構(gòu)成。而20世紀(jì)80年代歐洲已有相當(dāng)數(shù)量的廢氣生物處理裝置投入運行,80～90年代是歐洲廢氣生物處理發(fā)展的黃金時期[17～18],如1994年在德國應(yīng)用的生物處理工藝比例已達78%。由于它有具有效果好而穩(wěn)定、運行費用低、無二次污染等優(yōu)點,目前在發(fā)達國家已成為成熟工藝和處理含VOCs廢氣的首選技術(shù);在國內(nèi)其優(yōu)越性也日益被人們所認識,并得到越來越廣泛的應(yīng)用。

廢氣的生物處理過程,實質(zhì)是附著在生物填料介質(zhì)上的微生物在適宜的環(huán)境條件下,利用廢氣中的污染物作為碳源和能源,維持其生命活動,并將它們分解為CO2、H2O等無害無機物的過程。廢氣中污染物首先經(jīng)歷由氣相到固/液相的傳質(zhì)過程,然后才在固/液相中被微生物降解。反應(yīng)器類型主要有三種:生物洗滌塔、生物過濾塔和生物滴濾塔,另外,最近開始進入人們研究視野的反應(yīng)器類型還有生物轉(zhuǎn)鼓。

3.2 研究進展
廢氣的生物處理過程中的傳質(zhì)過程主要由兩種理論解釋,一種是荷蘭學(xué)者Ottengraf依據(jù)吸收操作的雙膜理論而提出的“吸收-生物膜”理論,一種是孫佩石等依據(jù)吸附理論而提出的吸附-生物膜理論。近年來,生物處理過程的研究著重對上述理論進行修補、改進,如Zarook、Delhomenietomski等[19～21]提出了氣態(tài)污染物軸流擴散理論,認為填料尺寸大小與表面積是影響其氣態(tài)污染物生物降解的主要因素,另外運用質(zhì)量和能量平衡理論驗證了填料床存在水分變化,并闡述了水分變化的機理。

生物濾床和生物滴濾床均可處理混合的復(fù)雜廢氣,如臭氣和VOCs[22]、丙酮,甲苯和三氯乙烯的混合物[17],甲苯、乙醇和丁醇[23],且能達到好的處理效果。LeCloirec等[24]對VOCs的去除進行描述,討論生物濾床、生物滴濾床和生物洗滌床不同工藝的進展及個例,并且認為生物滴濾床中疏水性的VOCs傳質(zhì)是個限制因素。Deshusses等[25]還對生物濾床和生物滴濾床處理VOCs進行建模,對反應(yīng)器設(shè)計和處理效果達到優(yōu)化,并認為在生物滴濾床中需要合適pH、鹽分、代謝產(chǎn)物的濃度以及營養(yǎng)液的補充。Cho等[26]對新穎的喜溫微生物進行研究,包括較高溫度的VOCs廢氣。

國內(nèi)生物法處理低濃度VOC廢氣在近幾年也得到迅速發(fā)展。孫石等[27,28]用生物法處理低濃度再生膠工業(yè)廢氣,取得了較好的效果,同時對工業(yè)廢氣中常見的甲苯、苯乙烯、甲醛、CS2,SO2,H2S,NOX等氣態(tài)污染物進行凈化實驗。孫玉梅[29]則研究了生物過濾去除乙酸乙酯、含氨廢氣,陳建孟等[30]采用假細胞桿菌屬GD11菌株對生物滴濾床接種掛膜,用來凈化濃度為0.709mg/m3的二氯甲烷廢氣,EBRT為11.8s,去除率達97.6%,最適宜pH為7.0±0.5,溫度為28.5±2℃。

4發(fā)展前景
綜合上述,低溫等離子體、光催化技術(shù)和生物技術(shù)對處理低濃度VOCs廢氣在技術(shù)上是可行的,特別是它們安全、高效、低能耗、無二次污染等優(yōu)點,其應(yīng)用前景均十分廣闊;但目前國內(nèi)它們不是還停留在實驗研究階段,就是還沒有成為成熟技術(shù),實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用還有大量工作要做。鑒此,作者提出三種新技術(shù)的發(fā)展前景展望如表2。



5結(jié)論和建議
低溫等離子體、光催化和生物處理三種新技術(shù),可在近期內(nèi)有效解決傳統(tǒng)技術(shù)對處理低濃度大氣量廢氣沒有適用技術(shù)的難題。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,每年由工業(yè)企業(yè)排放大量VOCs廢氣引起的污染依然十分嚴(yán)重,而我國是發(fā)展中國家,更需把有限的污染治理資金用好,以切實有效。而這三種新技術(shù)都具有投資少、運行費用低、廢氣停留時間短、高效、穩(wěn)定、反應(yīng)徹底且無二次污染等特點,可克服傳統(tǒng)方法運行費用高、反應(yīng)器龐大等缺陷,存在二次污染的缺點。必將在低濃度VOCs污染治理領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。
新技術(shù)和新工藝的開發(fā)應(yīng)用,必須投入足夠的資金和力量,并進行深入的理論和工藝研究;另一方面,由于VOCs污染物種類繁多,實際排放廢氣過程復(fù)雜,根據(jù)具體情況選擇適合的技術(shù)和工藝,將是我們面臨的主要任務(wù)之一。
 

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