揮發性有機廢氣治理技術進展

黃建洪，寧 平，許振成，周新云，周 瑜，彭福全

(1.昆明理工大學，云南昆明 650093;2.環境保護部華南環境科學研究所，廣東廣州 510655)

揮發性有機化合物 (VOCs)一般是指在常溫常壓下飽和蒸氣壓＞70Pa、沸點＜260℃的有機化合物的總稱，包括脂肪烴、芳香烴、含鹵烴類、含氧烴類、含氮烴和含硫烴類等。VOCs對生態環境和人體健康存在嚴重危害，在太陽光照射下可與NOx發生光化學反應，是產生光化學煙霧的原因之一，VOCs可引起人體致癌、致畸和動植物中毒。美國1990年的空氣法強調在未來的8a內要減少189種有毒化學品90%的排放，其中VOCs占70%。VOCs種類繁多，分布面廣，它們主要來源于石油、化工、輕工等許多行業和部門，有些行業比如石油開采與加工、煉焦與煤焦油加工、有機合成、溶劑加工、感光材料、油漆涂料加工及使用等，尤其帶來嚴重污染。一份對中國43個城市的VOCs調查中報道［1］，中國大多數城市市區的VOCs主要來源于汽車尾氣。為消除環境污染，保護人體健康，回收資源，對VOCs進行治理是非常必要的。

揮發性有機廢氣的治理方法有很多，總的分為破壞法和回收法［2］。破壞法又可分為燃燒法 (包括直接燃燒、熱力燃燒與催化燃燒)和生物法，回收法又可分為吸收法、吸附法、冷凝法、膜分離法等，在實際應用中通常是上述方法中兩種或兩種以上的方法的組合。

1 燃燒法

燃燒法是利用揮發性有機物的可燃性，在一定的溫度下將其通入到焚燒爐中進行燃燒，最終生成CO2和H2O而得以凈化的方法。根據燃燒溫度和方式的不同一般分為直接燃燒、熱力燃燒和催化燃燒。

1.1 直接燃燒法

直接燃燒法是將VOCs直接通入到焚燒爐中進行高溫燃燒的方法。當VOCs濃度高、可燃性好時可以直接燃燒，當濃度低時需要加入一定的輔助燃料，燃燒最終生成CO2和H2O排入空氣，同時回收利用燃燒熱。這種方法投資費用低，設備簡單，操作方便，但是維持高溫燃燒 (＞1100℃)需要高額的運行費用，而且高溫燃燒產生的NOx成為二次污染物。

1.2 熱力燃燒法

熱力燃燒法工藝流程如圖1所示，VOCs氣體首先經過熱交換器升到一定溫度后進入熱力燃燒室進行燃燒。這種方法處理的VOCs濃度為100～2000ppm，處理效率95% ～99%［3］。與直接燃燒法相比，熱力燃燒法的燃燒溫度一般在700～900℃，節省了能源消耗。

1.3 催化燃燒法

催化燃燒法是指VOCs在催化劑的作用下反應生成CO2和H2O的方法［4］。催化劑的作用是降低有機物的起燃溫度，同時縮短反應時間。目前用于治理VOCs的催化劑有貴金屬催化劑 (如Pt、Pd)和非貴金屬催化劑 (如V、Ti、Fe、Cu等)。Pt/H－Beta和PdO/H－Beta催化劑對氯化烴類具有很強的選擇性催化分解作用［5～6］。而 M.A.Centeno［7］等人研究表明Au/TiOxNy催化劑對已烷、苯和丙醇等有機物具有很高的催化作用。與熱力燃燒法相比，催化燃燒法所需的燃燒溫度更低 (200～400℃)，大大降低了能耗，而且在較低的溫度下燃燒避免了NOx二次污染物的生成。但是催化劑較易被含S、P、As等物質中毒而失去催化活性，另外催化劑的更換也需要昂貴的費用。

2 生物法

生物過濾法最初是為治理惡臭氣體而開發出來的一種技術，近年來研究發現其對揮發性有機廢氣也有較好的處理效果［8～10］。生物過濾法的核心處理設備是生物濾床 (如圖3所示)，濾床內裝有能形成生物膜的填料，VOCs先經過濕度控制以后進入生物濾床，在濾床里VOCs被生物膜上的生物經過一系列的新陳代謝作用分解成CO2和H2O得到凈化。

生物過濾法主要用于處理低濃度的VOCs，處理效率取決于操作條件的控制，對不同的有機物其降解效率在40% ～98%［11］。生物法的運行成本很低，但是設備龐大，有選擇性，運行條件也較為苛刻。

3 吸附法

吸附法是利用具有微孔結構的固體介質 (吸附劑)將目標物質 (吸附質)吸附在其表面上以達到從主體中將其分離的過程［12］。吸附法工藝流程如圖4所示，有機廢氣經過風機后進入吸附塔1進行吸附操作，當塔1吸附飽和后將氣體切換到塔2進行吸附，而塔1進行脫附、再生等操作，如此交替操作，達到連續處理的目的。目前常用的吸附劑有活性炭和沸石分子篩等，活性炭具有較大的比表面積，高的吸附容量，無選擇性吸附，是最常用的VOCs吸附劑［13］;沸石分子篩具有均勻的微孔結構，具有較強的選擇性吸附。吸附法與其它方法相比具有去除效率高，能耗低，工藝成熟，易于推廣實用的優點，具有很好的環境和經濟效益。缺點是處理設備龐大，流程復雜，當廢氣中有膠粒物質或其他雜質時，吸附劑易失效。

4 吸收法

吸收法是用吸收液與待處理廢氣進行充分接觸而將其中的可溶于該吸收液的VOCs從廢氣中分離出來的過程。吸收工藝的主體單元通常采用噴淋塔、填料塔等能提供良好氣液接觸的設備。吸收法具有設備結構簡單、工藝流程短、易維護、成本低等優點，是廢氣治理中常用的方法，但是吸收劑的選擇、回收或進一步處理成為環保治理的棘手問題，因此限制了其發展。

5 冷凝法

對于含一定濃度的有機蒸氣的廢氣，在將其降溫時，廢氣中的有機物蒸氣濃度不變，但其相應的飽和蒸氣壓值已低于廢氣中組分分壓時，該組分就要凝結為液體，廢氣中組分分壓值即可降低，也可實現氣體分離的目的［14］。將有機廢氣冷凝為液體可采用冷卻法，也可采用壓縮法，或兩者結合。冷凝法一般用于高濃度有機廢氣的回收或預處理，當要回收有機物時，通常要求廢氣的濃度高、組分少。

6 膜分離法

膜分離法是根據有機蒸氣和空氣透過膜的能力不同，而將二者分離的方法。膜分離方法作為高效分離的新技術已廣泛應用于液體、氣體的分離領域，其核心部分為膜分離器，常見的膜分離器有中空纖維膜和卷式膜。膜分離法適合對高濃度有機廢氣的回收處理，可回收常見的VOCs有脂肪烴、芳香烴、含氯溶劑、酮、醛、腈、酚、醇、胺、酸等［15］。膜分離法投資費用較高，一般作為高濃度有機廢氣的預處理單元。

表1 幾種VOCs處理工藝特點的分析

表1給出了上述幾種有機廢氣處理工藝特點的分析對比結果。

7 結束語

隨著有機廢氣的治理日益成為環保關注的焦點，其治理技術勢必不斷發展。燃燒法工藝簡單，處理效率高，但能耗也高;生物法運行成本低，但占地面積大，彈性較小;膜分離技術是新技術，其在VOCs治理中的廣泛應用還有待于進一步研究。目前實際應用多是上述方法的組合使用，如吸附－冷凝回收法、吸附－解吸－催化燃燒法、吸附－濃縮－燃燒法等，組合法克服了單一方法的缺陷，使有機廢氣的污染問題得到了解決。

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