VOC废气处理技术的现状与发展

发布时间:2019-02-04 14:02:20

吴新忠
(扬州大学环境科学与工程学院 江苏 扬州 225127)
摘要:VOC废气不仅对人类健康有危害,还会严重影响生态环境,加强对VOC废气的治理已是迫在眉睫。本文介绍了VOC废气的危害、来源、分类,综述了国内外处理VOC废气的各种传统方法及正在研究创新的新型技术,希望能够加快对新型技术的研究应用,以期对处理VOC废气有更好的效果。
关键词:VOC;处理技术;发展
1 引言
        挥发性有机化合物,简称VOC。世界卫生组织(WHO)在1989年将VOC定义为熔点低于室温而沸点介于50~260℃之间的挥发性有机化合物的总称。VOC是臭氧层产生前的物质之一,而臭氧具有刺激性、强氧化性,因此VOC自身含有的某些成分也具有强刺激性,过多吸入会让人体产生不适[1]。VOC的排放还会造成空气污染,典型代表就是北方的雾霾天气,不仅会增加交通事故的发生率,还会对大气环境造成严重污染,危害人体健康。世界上多个国家早已出台相关法律法规,严控VOC的排放标准,而我国对于VOC方面的重视程度还不够,治理相对滞后,所以控制VOC的排放并且加强对VOC的治理已是迫在眉睫,这既是对生态环境负责,也是对我们子孙后代的健康负责。
2 VOC概述
2.1 VOC的来源
        VOC的源头分为室内室外,室内主要来自天然气燃烧产生物、地暖、吸烟、烹饪等产生的烟雾,家用电器、建筑材料和人体生命活动所排放的有机废气,室外主要来自化工产业、交通运输等。具体来源如下:
(1)水处理行业:沼气池、垃圾池及污水处理厂;
(2)纺织品行业:鞋胶、衣物柔顺剂等;
(3)玩具行业:涂改液、香味玩具等;
(4)家具装饰材料:涂料、油漆、胶黏剂等;
(5)各式内燃机,燃煤、燃油、火炉锅炉;
(6)汽车配件材料:胶水、油漆、有机溶剂等;
(7)焦油炼化、煤矿、石油开采与加工、天然气开采与利用。
2.2 VOC的分类
        世界卫生组织(WHO)根据不同的沸点对VOC类别进行了分类,该分类目前为世界众多国家所接受,见下表1。

        3国内外VOC处理技术现状与发展
        目前,国内外对VOC的处理技术研究日益深入,已经发明了很多种处理方法。一般在选择何种处理技术时,主要考虑VOC排放浓度的不同来进行针对性选择,已期达到最好的去除效果。下面对各种VOC处理技术及最新发展做一个简介。
        3.1 膜处理法
        膜处理法,是随着膜技术的发展而产生的一种新型VOC处理工艺,它的原型是海水淡化研究中所推广使用的膜过滤法,膜处理法是采用一种特制的高分子膜,它可以对有机化合物进行选择性渗透,并在特定压力下使VOC渗透排除从而达到去除的目的。膜处理法的步骤分为三步:第一步先将VOC压缩进空气混合物;第二步是将压制好的混合气流输入冷凝器中冷却;最后一步是在压力条件下对膜与蒸气进行分离。最后一步中当混合气体进入膜分离系统后,让VOC气体选择性通过膜进行吸附收集,达标的可以直接排放,不达标的再进行吸附处理收集。膜处理法目前适合用于偏高浓度VOC的吸收处理,包括含氯溶剂、酮、酸、醛、、醇、胺、腈、苯、脂类等大部分VOC[2]。与传统的VOC处理方法相比,膜处理法具有操作简单、回收率高,能耗低,二次污染少等优点,是一种有广泛应用前景的处理方法,并且随着高新技术膜的不停开发,成本也在逐步降低,日后膜技术的应用必将越来越广泛。
        3.2 冷凝处理法
        物质的饱和蒸气压会随不同温度条件而变化,VOC也是如此,冷凝处理法利用这一性质来去除VOC。该方法的原理是将特制的冷凝器降低到有机物沸点以下,让待处理的VOC通过冷凝器,使有机物冷凝成液滴状,再依靠重力作用落下储存,从而去除VOC,该方法回收率与VOC的浓度及沸点有关,VOC的浓度越大、沸点越高,其回收率也越高,因此该方法对高浓度、低温、可回收的VOC处理效果最为显著。其所需设备和操作方法都较为简单,所收集的VOC纯度也较高。通常使用的冷却介质主要包括冷水、液氨及冷冻盐水,但要取得较高的回收率需要用较低温度的冷凝介质或提高冷凝器的操作压力,相应的增加了其操作难度,并且在常温环境下很难利用利用冷却水直接操作,还需要使用冷凝水进行降温,这明显增加了处理成本。所以在实际操作中,冷凝回收法常与吸附和吸收等方法联合使用,先用吸收或吸附方法浓缩VOC,再用冷凝回收法回收经浓缩的VOC,以达到较高回收率并能节约成本的目的。
        3.3 活性炭吸附法
        活性炭作为一种催化剂具有易制造、安全性能高、稳定性好、耐高温、耐腐蚀、可再生等优点,目前已被广泛应用于治理空气污染、净化空气等领域。活性炭吸附法的原理是利用其具有的密集孔隙结构将VOC组分吸附在活性炭表面,从而进行不断的循环吸附脱除作用,达到回收去除目的。研究表明,由于活性炭同时也具有吸附性能,所以它吸附VOC的性能最佳[3]。活性炭吸附法对VOC的去除效果除与活性炭本身性质有关外还与VOC的浓度、类别、性质以及吸附系统内的温度、压力有关,正常情况下活性炭对VOC的吸附能力随VOC废气分子量的增加而提升,高分压气体比低分压气体更难吸附,所以常适用于中低浓度、高通量VOC的回收。活性炭吸附法具有良好的环境和经济效益,因为去除较彻底、效率高、能耗少、工艺成熟、操作简便等优点,缺点是活性炭的吸附容量还不够大,实际应用中需要的活性炭剂量大,并且吸附后的活性炭需要定期更换处理,大大增加了成本。
        3.4 变压吸附处理法
        变压吸附处理法是一种物理法,利用特制的VOC吸附分离装置调节压力变化,使VOC废气压力也产生变化,让废气中部分组分被装置内介质吸附,之后再处理这部分被吸附的废气从而达到目的[4]。吸附分离装置内使用的材料主要是沸石分子筛,选用材料主要是考虑到吸附性能以及吸附量,沸石分子筛在这两方面都有一定优势。该方法能耗低、成本低、二次污染小、自动化程度高,可操作性很强,并且沸石分子筛可以保持良好的循环使用能力。VOC中被吸附分离出去的废气,通过其他工序将其转化为简单的无机物,之后继续进行变压吸附处理,循环以上工序已让VOC处理达标。该技术对于处理有价值且可回收的VOC废气的效果较好,因此研究前景广阔,目前已经成功应用在实际当中,预计未来还会有更广阔的发挥空间。
        3.5 液相吸收法
        易挥发溶剂自身不稳定所以无法吸收VOC,而难挥发和不挥发溶剂则可以吸收VOC,液相吸收法就是利用有机物质相似即相溶的特点,用难挥发或不挥发溶剂先对VOC吸收,之后再通过VOC组分和吸收溶剂性质的差异进行分离去除。液相吸收法的操作过程是在吸收塔中完成的,吸收塔内装有填料吸收剂,经常使用的液相吸收剂为沸点高、蒸气压较低的油类物质,其吸收效果主要决定于吸收剂的自身性能及吸收设备的结构特点。液相吸收法可用于回收有用成分,适用于大气量、中等偏高浓度的VOC吸收处理,但因为吸收剂吸收的范围有限制,所以该方法难以决定使用何种吸收剂,并且吸收VOC后的溶液还需进一步处置,容易造成二次污染,也相应的增加了使用成本。
        3.6 氧化燃烧法
        化工厂等工业生产排放的VOC正常都含有有毒有害、成分复杂的组分并且没有太大回收价值,传统方法处理这样的VOC很难达标,这时最适合使用的方法是氧化燃烧法。氧化燃烧法是指在有氧条件下让VOC与氧气发生氧化燃烧反应,生成简单的无机物,从而达到去除VOC的目的[5]。氧化燃烧法包括直接燃烧和催化辅助燃烧两种方式,直接燃烧法是使通过加热让VOC废气达到反应高温,在燃烧过程中将VOC中可燃性有机物当做燃料使用,反应温度最高可以达到1000℃左右,能够弥补逸散到周边环境的热量从而维持反应温度,因此直接燃烧法对VOC的去除率可达到 95%。催化燃烧是指在相对较低的温度下(200℃-500℃)让VOC废气在催化剂的作用下加快氧化反应生成简单的无机物,使用催化剂的好处除了能加快反应速度还不需要维持很高的温度,简化了操作条件和流程。但现在使用的催化剂更多的选择了金属,因为金属催化效果及反复使用性能较好,但相应的其价格也很高,增加了处理成本,现在国内外正在加紧研究适用的非贵金属催化材料。
        3.7 低温等离子体-光催化技术
        上个世纪70年代,对于低温等离子体净化VOC的研究就已如火如荼,它是利用高能电频射线对VOC中各组分进行电解分离[6],之后利用氧化反应将分离出的有机物转化为简单的无机物,目前常用的两种方式包括电子束辐照及气体放电。光催化技术是利用许多类型的VOC在常温常压下可以用特定波长光进行催化分解原理的一种技术,它可以是直接进行光照,也可以是在催化剂条件下进行光照,这些VOC中包括脂类、醇、醛、酮、芳烃等物质,因此应用前景很广泛。低温等离子体-光催化技术则是将这两种技术联合起来,低温等离子体技术比过去的单一热催化或单一等离子体法去除率更高,先将VOC中易处理的组分进行氧化反应,之后用光催化技术对之前没有能去除的其余组分进行催化分解,从而达到去除VOC的目的。该方法的优点是效率高、耗能低、操作简便、应用范围广等,但同时存在成本较高、反应条件较为苛刻、产物中可能存在有毒有害物质等问题,还需进一步完善,但该技术未来发展前景依然广阔。
        3.8 反硝化法
        生物处理法是近几年来国际社会上研究的热点,它具有抗荷载能力强、二次污染少及可经受较大的污染,操作简便且条件可控等优点,因而备受国内外学者的青睐。目前荷兰已经开始小规模应用生物处理法,VOC去除率大都达到90%以上[7]。近几年来反硝化法逐渐成为生物处理法处理VOC最热门的研究技术,反硝化法来源于生物法,但效果优于普通生物法,反硝化过程主要依靠反硝化菌,该菌作为异氧兼性厌氧菌可以将硝酸盐或亚硝酸盐还原为N2或N2O[8],并能利用VOC中有机碳源作为反硝化过程中的能量载体,因此反硝化过程中可以同时完成有机物和硝态氮的去除。鄢一新[9]的研究表明污泥干化废气VOC在缺氧条件下经反硝化处理后,其浓度明显降低,对于去除剩余污泥干化废气VOC的效果,反硝化法也明显胜于普通生物法。在对不同的干化温度和进气浓度实验条件进行对比后发现,反硝化装置的处理效果都比好氧装置的处理效果好,去除率高出22-30%,能有效减少污泥干化废气排入大气中的VOC总量。实验中发现随着污泥干化温度的升高,VOC废气组分种类数更多,反硝化法和普通生物法对VOC的去除效果都有所降低,但反硝化法受到的干扰较小,这证明反硝化过程中微生物对某些种类的VOC有着更好的代谢去除能力,在国际社会越来越重视对VOC处理的大环境下,反硝化法在也必将得到更多的研究重视。
        4总结与展望
        伴随着我国工业经济的飞跃发展,VOC也随之大量产生,已经影响到人们的居住环境,因此国际社会对于VOC处理排放的标准也越来越严格。我国对于VOC研究处理起步较晚,近年来在环保学者的倡议下国家也出台了对VOC处理的相关法律法规,为我国日后VOC治理行业创造了一个有利条件。VOC传统处理方法和新型处理方法虽然都已日趋成熟并实际应用,但终归有各自的缺点及不足,因此日后的新型技术除了不断创新,有很大的趋势将向联合型处理技术发展,这样既能使各种技术充分发挥自身优势,也能互补不足、提高效率并减少二次污染。但联合型技术一次性投资费用大,运行成本上升,增加了操作难度,因此降低成本并能取得最大化的经济效益是日后发展联合型VOC处理技术的一个重要考量因素。以上所介绍的各种VOC去除处理方式各有优缺点,具体使用何种方法还需要各企业根据VOC的组分、浓度、结合成本及自身的实际情况等来确定,以期用最适合的方法达到最佳的处理效果。
参考文献
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[2]闫勇.化工进展,1996(5):26-28,40
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[7] 方磊,张永春,周锦霞,等.广州化学,2008(1):73-78
[8] 张自杰,林荣忱,金儒霖. 排水工程[J]. 下册,2000, 4.
[9] 鄢一新. 反硝化法降解污泥干化废气挥发性有机物研究[D].扬州大学,2017.

作者简介:吴新忠(1993.12—),男,江苏省盐城人,扬州大学市政工程专业硕士研究生,研究方向为废水废气治理。


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