有機廢氣處理技術概述

近年來大氣污染問題日漸突出，嚴重影響著自然環境、生態氣候以及人們的身體健康。目前已知的大氣污染物約有100余種，其中揮發性化合物作為引起PM2.5和光化學污染的主要“元兇”，其治理工作廣泛關注。隨著我國對于大氣污染防治監管力度的不斷加大，許多高污染廢氣排放行業的發展也受到制約。由此，尋找合理的廢氣處理方法、發展的廢氣處理技術對于環境保護以及經濟發展都將有著重要意義。
　　一、廢氣的成分、來源及危害
　　揮發性廢氣的成分主要包括脂肪烴、芳香烴、鹵代烴、醇、醛、酮、酯、醚、酚、胺、腈、羧酸等，主要來源于石化、制藥、印刷、涂裝、噴漆、皮革加工、化纖生產、塑料加工等涉及使用大量溶劑的行業的生產過程排放。
　　廢氣成分復雜，易燃、易爆并帶有   毒性，不僅會污染大氣環境，生成光化學煙霧，破壞臭氧層，還會通過呼吸和皮膚吸收進入人體，刺激人的呼吸系統，影響人的神經系統和造血系統，損害肝、脾等器官，引起中毒、致癌甚至死亡。
　　二、廢氣處理技術
　　目前針對廢氣治理已發展出多項處理技術，根據處理原理，大體上可將這些技術分為兩類：一類是回收法，即通過單純改變物的溫度、壓力等物理特性或采用選擇性吸附劑等對其進行分離回收；另一類是法，即利用化學或生物反應，在   條件下將物氧化分解為   或低毒產物。
　　1、回收法
　　回收法主要包括吸附法、吸收法、冷凝法和膜分離法。
　　1.1、吸附法
　　吸附法利用具有多孔結構的吸附劑選擇性地吸附廢氣中的污染物，多用于低濃度、高通量廢氣的處理。應用吸附法時，吸附劑的選擇是關鍵。常用的吸附劑包括活性炭、沸石、氧化鋁、硅膠和一些高分子材料，活性炭吸附塔中活性炭由于具有較好的選擇性、發達的孔結構、較大的比表面積、良好的機械強度、理想的生物相容性和化學穩定性等特點而成為目前應用多的廢氣吸附材料。利用活性炭凈化裝置可吸附廢氣中的芳香烴、脂肪烴、鹵代烴、醇、酮、醚、酯等物質，為提炭的吸附性能，可采用酸、堿等對其進行改性。此外，吸附劑的形狀、結構對于吸附性能也會產生   影響。研究發現，吸附劑采用纖維狀活性炭的活性炭吸附設備對于廢氣中苯的吸附能力要比一般的活性炭高1倍~10倍，吸附效果   好。
　　吸附法工藝成熟，去除，設備簡單且能耗較低，因此，被廣泛用于廢氣的處理。但吸附法運行成本較高，吸附材料吸附容量有限且   困難，重復使用后吸附效果下降明顯，易失活且失活后的吸附劑的處理也存在   問題。
　　1.2、吸收法
　　吸收法主要指的是液體吸收法，采用低揮發或不揮發性的液體吸收劑對廢氣中的物質進行吸收，從而對廢氣進行處理。根據吸收原理的不同，液體吸收法可分為物理吸收法和化學吸收法。前者利用物質的相似相容原理，通過吸收劑選擇性地吸收與其性質相似的氣體從而達到凈化目的；后者則是通過吸收劑與廢氣之間發生化學反應，從而實現凈化廢氣、分離污染物的目的。針對不同成分的廢氣，選擇合適的吸收劑重要。肖瀟等對比研究了幾種廢氣吸收液(二乙基輕胺、聚乙二醇400、硅油、食用油、廢機油、0#柴油)對甲苯廢氣的吸收效果，發現在相同實驗條件下，二乙基輕胺對甲苯的吸收效果好，而聚乙二醇和硅油差。近年來利用環糊精的水溶液作為鹵化物的吸收劑也取得了理想效果。
　　液體吸收法具有投資成本少、運行成本低、操作簡單等優越性，適用于廢氣的處理，應用時需對吸收劑進行后期處理，過程復雜且成本較高，同時還易產生二次污染，使得該法的應用受到限制。
　　1.3、冷凝法
　　冷凝法通過降低系統溫度或提高系統壓力使污染物冷凝，繼而從廢氣中直接分離出來，適用于、高沸點廢氣的處理。由于加壓設備較多且比較昂貴，因此，一般采用降溫方式進行冷凝。該法操作簡單、投資成本少、經濟效益高，但單采用冷凝法處理后的廢氣仍含有較的污染物，因此，在實際應用中常將其與其他方法，如吸附法、催化燃燒法等進行聯用，有利于降低負荷、運行條件及成本，分離回收廢氣中的部分成分，實現資源利用。
　　1.4、膜分離法
　　膜分離法利用物分子與空氣通過高分子膜的溶解擴散速度不同而對廢氣中的污染物進行分離，常用的膜分離工藝包括：蒸汽滲透法、氣體膜分離法以及膜基吸收法。膜分離法適用于低通量、廢氣的處理，具有操作簡單、低耗、無二次污染等優點，同時利用膜分離法還可實現對脂肪烴、芳香烴、氯代烴、酮、醛、酚、腈、醇、胺、酸等化合物的回收。盡管膜分離法的廢氣處理效果較好，但膜的通量較小且在使用過程中易被污染，設備投資和運行成本都較高。
　　2、法
　　法主要包括：燃燒法、脈沖電暈法、低溫等離子技術、光催化氧化法、臭氧催化氧化法、微波催化氧化法和生物處理法等。
　　2.1、燃燒法
　　燃燒法是利用廢氣可以燃燒的性質，通過充分燃燒而將揮發性物轉化為水和二氧化碳，主要包括直接燃燒法、熱力燃燒法和催化燃燒法。
　　直接燃燒法是將廢氣當作燃料進行直接燃燒，所需溫度較高(一般在1100℃左右)，適用于廢氣的處理。直接火焰燃燒的應用范圍比較廣，投資成本低，設備簡單，處理效果比較   ，在時間和適當溫度條件下，處理效率   達到以上，但高溫燃燒容易產生二次污染。
　　熱力燃燒法是利用熱力交換器對廢氣進行升溫加熱，使其在700℃~800℃以上的高溫條件下進行燃燒，廢氣處理效率可高達~。相比直接燃燒法，熱力燃燒法降低了部分能源消耗。
　　催化燃燒法是利用催化劑在較低溫度下(200℃~500℃)加熱廢氣，使其發生氧化分解反應，從而實現凈化。常用的催化劑包括非貴金屬類和貴金屬類的催化劑、過渡金屬氧化物和復氧化物催化劑。催化燃燒法具有   性好、能耗少、無二次污染、凈化等優點，但該法在應用過程中容易出現催化劑中毒現象，因此，對于使用條件和操作工藝要很高，此外，貴金屬類催化劑成本較高，經濟效益較差。
　　2.2、脈沖電暈法
　　脈沖電暈法通過前沿陡峭、脈沖窄的高壓脈沖電暈放電，在常溫、常壓下產生大量   電子或O、OH、N等活性粒子以及臭氧，與物分子發生化學氧化反應，破壞其C-C、C-O及C-H等化學鍵，終使污染物降解為CO₂和H₂O等物質。丁德玲等對脈沖電暈法去除二甲苯廢氣進行了實驗研究，發現二甲苯去除率隨脈沖峰值電壓、脈沖頻率的增大而升高，隨氣體流量、氣體質量濃度的增大而降低。實驗結果表明，脈沖電暈法適用于低濃度、大流量二甲苯廢氣的處理，去除率高可達87.4%。然而該方法在實際應用中存在能耗較大，大功率脈沖電源制造技術復雜、成本較高，火花開關壽命較短等問題，限制了該技術的進一步推廣。
　　2.3、低溫等離子技術
　　低溫等離子技術通過高壓脈沖放電獲得大量   電子和自由基等活性粒子，經低溫處理后變為固態、液態或氣態。這些粒子通過破壞物的部分化學鍵，如C-H和C-C鍵等，從而對污染物進行降解，將其轉化為或低害物質，適用于大風量、低濃度廢氣的處理。研究表明，單獨使用低溫等離子技術處理廢氣時，去除率雖高但會有副產物產生，而在等離子體反應器中加入吸附劑或催化劑時，不僅可以提高污染物的去除率，同時還可減少副產物的生成。低溫等離子技術具有工藝簡單、能耗較低、處理等優點，尤其適用于處理惡臭氣體，但該法運行費用相對較高。
　　2.4、光催化氧化法
　　光催化氧化法利用WO₃、CdS、ZnO、TiO₂等催化材料的光催化活性，光催化氧化裝置在特定波長的光(一般是紫外線)照下，激發其產生氧化性的自由基活性物質，終將吸附在其表面的物氧化為二氧化碳、水等物質。UV光催化氧化設備反應、處理效果好、能耗低且無二次污染，可轉化苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、乙酸乙酯、甲醇、乙醛等物質。
　　2.5、臭氧催化氧化法
　　臭氧催化氧化法以金屬、金屬氧化物和金屬鹽作為催化劑，催化臭氧產生   多的具有強氧化性的物質以提高其氧化能力，使臭氧在室溫下即可催化廢氣氧化為二氧化碳和水。采用臭氧催化氧化法能明顯降低反應活化能及反應溫度，然而該方法在應用時容易出現催化劑失活，反應溫度過低時還易生成副產物。臭氧催化氧化法多用于廢水中污染物的去除，而目前   對于該項技術在廢氣處理方面的研究也取得了   進展，是比較好的廢氣處理技術。
　　2.6、微波催化氧化技術
　　微波催化氧化技術由傳統的填料吸附一解吸技術發展而來。利用吸附劑吸附污染物后，采用微波將污染物從吸附劑上解吸出來，隨后在催化劑的作用下將污染物氧化降解。其中，非氯代物將被氧化為水和二氧化碳，可直接排入大氣，而氯代物經催化氧化還會生成HCl，需用堿性吸收劑進行吸收。微波催化氧化技術將傳統解吸方式轉變為微波解析，在降低能耗的同時縮短了解吸時間，且微波   效果好，吸附劑解吸20次后仍能基本保持原有的吸附能力。微波催化氧化技術具有較高的催化效率、啟動時間較短且對溫度要求不高，應用該技術時應針對不同的廢氣選擇合適的吸附劑，同時注重微波功率、加熱時間、載氣流量等因素對催化效率的影響。
　　2.7、生物處理法
　　生物處理法利用微生物的   作用，將廢氣中的某些成分作為碳源和氮源進行氧化分解，終將污染物轉化為無機物、水、二氧化碳等物質，適用于大氣量、低濃度廢氣的處理。目前生物處理設備主要包括生物濾池、生物滴濾塔、生物洗滌器等該法具有凈化效果好，運行費用少，無二次污染，   性、環保性好等優點，但微生物的代謝速率較慢，因此，凈化速度不高。應用該法時病菌的篩選是關鍵，因此，應加大對病菌種類的分析和研究，同時在運行過程中應注意控制體系的溫度和pH值，微生物的活性。
　　3、組合處理技術
　　在實際應用中，為降低處理成本、提高處理效率，常將上述處理方法中的兩種或幾種進行聯合使用。采用光氧催化氧化裝置和活性炭吸附聯用的方式對含有酮、醛、酯、烴等物的惡臭廢氣進行處理，不僅彌補了單獨使用光催化氧化時廢氣去除率不高的問題，同時也增加了活性炭的   換時間，降低了處理成本。低溫等離子體結合光催化氧化技術在降解廢氣二甲苯方面的應用，實驗結果表明，在光催化劑的作用下，等離子體對于二甲苯的去除率顯著提升，通過二者的協同作用，可   加地分解空氣中的物質。
　　廢氣處理時，   先應充分了解廢氣的組成和性質，綜合考慮處理技術的經濟性和性，從而選擇合適的處理方式。在使用單一處理方法的基礎上還可發展組合處理技術，以提高處理效率，降低處理成本。此外，在廢氣的治理過程中應當意識到，除了要發展的處理技術外，還要從源頭上控制：對高污染的生產工藝進行優化改進，減少溶劑的使用，降低污染物的排放；在生產過程中盡可能使用封閉設備，減少廢氣的泄露。