納米級電氣石粉體陶粒填料對涂裝廢氣V O C s凈化的中試研究

李璐（北京藍源恒基環保科技有限公司，北京 100011）

電氣石是化學組成復雜的環狀結構的硅酸鹽復鹽礦物，化學成分包括B2O3、SiO2、Fe3O4、A12O3、Li2O、MnO2、Na2O、MgO等。電氣石具有壓電性和熱電性兩種特征性狀，在溫度、壓力發生變化的情況下，能引起電氣石晶體的電勢差，使周圍的介質發生電離，被擊中的電子附著于鄰近的水和氧分子并使它轉化為羥基自由基（·OH），進而化合成為一水合羥基負離子（H3O2-）。

發生的負離子負離子在空氣等介質中存在時具有較強的氧化性，可以將還原性污染物質凈化分解。因此，電氣石是一種很好的環境凈化材料，可以用于VOCs等空氣污染凈化。

在目前的各種應用領域中，電氣石往往都是以粉體形態出現的。長期的實踐證明，粉體顆粒粒徑越小，其比表面積更大，其壓電性、熱電性發揮的效果將會更好。例如，在功能纖維中填充電氣石粉，要求中位徑小于或等于0.5μm，97%小于或等于3.0μm。[1-4]

本文用d50約等于100nm的納米級電氣石粉末復配制成的納米微電解空氣凈化填料（以下簡稱NAP填料，Nano-electroly?sis Air Purification），并采用濕式納米微電解工藝，對某汽車噴漆車間的含苯、甲苯、二甲苯的涂裝廢氣進行VOCs去除效果試驗考察：①整個系統對污染物的去除效率；②NAP填料在不同加濕條件下的去除效率。

試驗所用的超細納米級電氣石粉委托北京樂柏奇研究所加工，電氣石納米粉加工精度d50=100±15nm，以粘土做芯，表層用納米級電氣石粉末鍍膜，并為加強電氣石粉末效果混合能量材料粉末高溫燒結而成，其物理性質為：顆粒粒徑4±0.25mm，干時堆積密度是：0.75t/m3，浸水瀝干后的堆積密度是：1.01t/m3，有效孔隙率為：38%，單顆填料球的比重為1.97。

1 試驗反應機理

天然無機材料中有一種是具有壓熱電性的，但是這些物質在自然界狀態下極性抵消等原因而不能表現在其電能特性。采用納米級加工（d50≈100nm），就可使其電能作用充分發揮出來，這樣能在材料的表面附近形成無數永久微電場，微孔形成的微電場場，足夠小的間距另少量的正負靜電核產生出巨大的靜電能量場。它能使NAP填料周圍的水分子發生微電解，產生帶正電的氫離子（H+）和帶負電的羥基，即氫氧基（·OH）。兩個氫離子（H+）得到電子補充后變成氫氣（H2↑）放入空氣中。剩下的羥基（·OH）與周圍的另一個水分子結合成羥基負離子（H3O2-）。

其化學公式如下：

由于空氣中含有了大量的在空氣中相對穩定的羥基負離子，且氧化還原電位高達2.8V僅次于F2，故可以實現在空氣中對需氧類污染物質的氧化分解。此外，因電氣石具有壓電性，當環境壓力發生變化時，礦物結晶體兩端可產生電壓，其極性離子在平衡位置振動而引起偶極距變化產生遠紅外波段的電磁輻射，遠紅外線震蕩作用可以在一定程度上加速苯環的開環，使之被羥基自由基所分解凈化[5]。

2 實驗原料、設備及方法

本實驗采用的是廈門某混凝土輸送車加工廠的噴漆房經過水簾水洗后的尾氣，其廢氣類型為聚氨酯漆是典型的噴漆車間涂裝用漆。主要成分為苯、甲苯、二甲苯、粉塵顆粒。

噴漆車間非常狹小且密封，廢氣經過車間內置換氣風機排除集中處理排放，經過與車間內清潔空氣混合并經過噴漆房配備初級水簾清洗后，其排出后的廢氣VOCs濃度一般為40-80ppm，噴漆工作期間的VOCs濃度較為穩定。

由于噴漆前需要對罐體進行打磨廢氣中夾雜了大量的霧狀漆霧，也夾雜了大量的灰塵，故直接采用NAP填料進行處理顯然并不適宜。為此NAP填料中試設備前置了一個小型噴淋塔，進行廢氣淋洗以去除較為容易處理的灰塵和漆霧并對NAP填料進行必要保護防止其堵塞。

2.1 中試工藝流程

本次中試擬采用的工藝流程如圖1：

圖1 中試試驗試驗設備流程圖

廢氣取自噴漆車間水簾后的排風管，通過本套實驗裝置時實驗風機取廢氣抽取量為750m3/h，廢氣首先進入填料噴淋裝置除塵除漆霧，噴淋塔內裝彈性立體接觸填料，有效停留時間為2.0秒，液氣比=4L/m3。經過噴淋塔處理后的廢氣送入NAP填料試驗機進行處理。

NAP試驗機填裝?4mm的NAP填料25kg，處理負荷為30000±500m3/（t·h），填料制成兩級填料板，厚度為2.5cm，穿填料板的風速為0.30±0.05m/s，NAP填料由于釋放負離子需要消耗水分子，故通常采用濕法工藝創造潮濕環境。中試試驗采用循環水進行加濕，加濕方式可以實現潮濕環境（水霧加濕）、淋濕環境（噴淋加濕）兩種加濕狀態。

對原廢氣、噴淋后、NAP試驗設備處理后三個點實時連續同步測定：采樣點1為原廢氣；采樣點2為中試設備進口；采樣點3為中試設備出口。

2.2 試驗步驟

實驗采用填料球表面的潮濕和淋濕兩種狀態進行對比。

實現“潮濕狀態”是控制空氣試驗出口濕度（相對濕度60-80%），采用噴灑水霧方式加濕；而“淋濕狀態”采用大水噴灑方式進行灑水將NAP填料球通過噴淋保持淋濕狀態（出口相對濕度80-100%）。

2.3 監測項目：

本次試驗監測取樣點分別為原廢氣、NAP試驗機進口和出口，見圖1所示的采樣點1-3。監測項目：VOC。本中試實驗采用便攜VOC在線快速測量儀（美國華瑞/PGM-7300型）。

3 中試結果

3.1 潮濕效果與淋濕效果的VOC去除效率對比

其中第一組為潮濕環境（測樣32組），而第二組為更為潮濕的淋濕環境（測樣64組）。通過統計發現整體去除效率約在65-80%之間，而采用大水淋灑方式灑水加濕時，其系統效率更高，具體見圖2、圖3。

圖2 第一組采用潮濕狀態時的處理效果

圖3 第二組采用淋濕狀態時的處理效果

表1對兩種加濕方式的處理效果效率進行了統計對比：

表1 兩種加濕方式對NAP填料處理效率的影響

△VOC（p p m）NA P填料的VOC去除率整體系統去除效率有機物削減負荷（k g/t/h）10.447.2%65.8%0.26817.859.7%79.6%0.458

3.2 淋濕狀態時NAP填料處理效果數據

根據在對NAP填料處理效果確定使用大水淋灑法加水方案時，對經過噴淋處理后的NAP試驗機進出口廢氣VOC濃度進行處理效果的統計，見圖4：

圖4 淋濕狀態時NAP處理效果水平

4 結語

試驗表明保持填料潮濕環境時VOC的去除率為47.2%，對于淋濕環境VOC去除率高達59.7%，其淋濕環境明顯優于潮濕環境。如果考慮前處理的噴淋，則整體系統去除效率分別達到65.8%和79.6%。

廢氣VOC進口濃度盡管變化較大，但是NAP填料可以壓低出口濃度，進出口VOC濃度呈正向相關，通過試驗表明進口VOC濃度越高，NAP填料的處理效率越高。

本實驗進口VOC濃度波動較大，噴淋預處理之后之后主要濃度范圍約為20-40ppm，屬于中等濃度廢氣，盡管有較大波動，但NAP填料凈化效率一般可以達到50%左右，總出口基本穩定在 15ppm（即 19.35mg/m3）以內。

涂裝廢氣多為粘性較大廢氣，粉塵顆粒較多，以往采用活性炭技術容易出現堵塞問題，同時溫度較高的情況下活性炭效率偏低；而采用納米級電氣石為主要原料制成的填料顆?？梢詫崿F濕式有機廢氣瞬間VOC凈化，這給該領域的廢氣處理提供了一個全新新的思路。

[1]王平，杜高翔，鄭水林.馬家敏超細電氣石粉體的表面改性試驗研究-化工礦物與加工，2008(2).

[2]鄭秋生，胡雪玉.延年素纖維性能及應用-合成纖維，2010(1).

[3]張開永，曲鴻魯，劉渝燕，張軍.電氣石超細粉碎及分級提取試驗研究-中國粉體技術，2010(2).

[4]盧宗柳.電氣石硼肥制作技術的試驗研究-礦產與地質，2006(6).

[5]黃繩紀.淺析光輻射材料在治理大氣污染中的作用-化工環保，2004(z1).