UV光催化處理VOCs的技術要點探析

成志明 張海鷹 林吉凡

摘 要：對于低濃度大風量的VOCs處理，目前廣泛采用了UV光催化處理方法，影響UV光催化效率的主要因素包括光源、催化劑、溫濕度和停留時間等，解決UV光催化處理VOCs的關鍵技術相應地需要從光源的選擇，催化劑的優化和設備的空間結構改善等入手，找到UV光催化處理VOCs的技術難點加以突破。對于凈化設備的制造也有自動化程度低、檢測有缺失、評價不合理等問題需要加以重視。

關鍵詞：UV光；催化；VOCs

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.025

對于低濃度大風量的VOCs處理，目前采用最多的技術是UV光催化，應用該技術處理廢氣的設備簡單、性價比高、運營和維護成本低，因此它是中小企業廢氣處理的首選方法。東莞制造業發達，工業企業眾多，從東莞本地到珠三角乃至全國范圍內的制造企業對工業廢氣凈化器的需求很大。當前工業廢氣處理設備自動化程度低，工業廢氣處理設備的廢氣處理監測也還有漏洞，效果評估都不太理想。為適應國際產業競爭需要，大力發展智能化的揮發性有機廢氣處理設備，采用新技術，是打破發達國家技術貿易壟斷，提升我國廢氣處理裝備和技術核心競爭力的重要基礎。為適應國際產業競爭需要，大力發展智能化的揮發性有機廢氣處理設備，采用新技術，是打破發達國家技術貿易壟斷，提升我國廢氣處理裝備和技術核心競爭力的重要保證。

1 UV光催化的技術特點

光解催化凈化設備主要由光解技術和催化氧化技術組合而成。催化氧化技術是在設備中添加納米級活性材料，在紫外光線的作用下，產生更為強烈的催化降解功能。由于作為催化劑的TiO2價格低廉，來源廣泛，對紫外光吸收率較高，抗光腐蝕性北學穩定性和催化活性高，且沒有毒性，對很多有機物有較強的吸附作用，因而成為各類試驗研究中最常用的光催化劑。為了提高催化劑的活性和適應不同類型的廢氣處理，也經常添加一些貴金屬鉑、鈀、釕和過渡族元素的氧化物以及稀土元素的氧化物等作為催化劑。貴金屬催化劑有很高的氧化活性和易回收等優點，但是存在資源稀少、價格昂貴和耐中毒性差等一些缺點，目前是世界各國采用的主要催化劑類型。復合氧化物雖可改善某些光催化性能，但氧化活性仍不及貴金屬。大多數揮發性的有機化合物在這種紫外光能和納米活性催化氧化的共同作用下，能在2-3秒時間內被充分降解，光解催化氧化技術對揮發性有機廢氣污染物具有較高的去除效率，具有如下特點：

（1）廢氣凈化的徹底性：UV光觸媒是分解污染物而不是吸附污染物，發生的是質變而不是量變，對污染物具有不可逆的分解；

（2）廢氣分解的廣泛性：UV光催化氧化幾乎對所有的細菌、病毒和有機污染物起到強效分解作用，特別是對人們不易感知的細菌和病毒進行徹底分解；

（3）無二次污染：UV光催化氧化的最終產物是二氧化碳和水，對人體無害，不會產生類似消毒劑對環境產生的二次污染。

對于光催化的核心問題催化劑性能，需要采取一些新的措施，比如制備大孔徑、大比表面積、高抗沖擊性能且不影響催化活性的催化劑載體，改進廢氣凈化裝置的空間結構，拓展TiO2光催化劑薄膜的光照應用范圍，進一步提高復合型催化劑性能，重點研制新型催化劑及如何防止催化劑的失活和中毒等。

光催化反應面臨的問題主要有催化劑失活、反應動力學常數較小、不可預測的反應機理等，同時濕度能抑制光催化速率，尤其是有機廢氣濃度較大時，這種影響更為明顯，因此限制了光催化技術在處理濕度較大的廢氣方面的應用。由于納米材料本身對有機物具有氧化作用，納米材料與粘結劑的耐光催化性、載體的催化活性包括失活后的再生問題及膜的牢固性仍然是光催化技術的關鍵技術難題。

2 影響UV光催化處理效果的主要因素

通過一年多的設備改進和實驗室試驗，我們主要從影響UV光催化治理VOCs效率的幾個主要因素UV波長，起始溫度，初始濃度，相對濕度，停留時間，反應介質等進行研究，找到最佳反應效率和最低能耗。

（1）廢氣濃度的影響：UV光催化治理VOCs適合的應用范圍主要包括噴涂車間、印刷、電子、制藥、食品等行業產生的低濃度有機廢氣，對于20-200PPM以下的濃度效果較好，隨著VOCs濃度增高，降解效率也會隨之降低。目前廣泛采用的是185 nm和254 nm兩個波段的真空紫外燈，這是由于真空紫外燈發射的紫外線能量強度有限，單位時間內光解能量不足，效率下降。所以單純的增加燈管的數量是無法解決高濃度有機氣體問題，紫外光解技術不適合中高濃度VOCs氣體。

（2）相對濕度低的影響：對于一定的濕度條件下，氧氣吸收了大部分185nm紫外光，但是隨著濕度的進一步增加，一部分是水蒸氣與氧氣競爭吸收185nm波長的紫外光，水蒸氣吸收了更多的185nm紫外光，同時產生更多羥基自由基。水蒸氣與活性氧反應生成羥基自由基，羥基自由基的氧化性要強于臭氧和活性氧，從而光解的速度明顯加快，促進單位時間內對于廢氣去除率的增加，試驗證明相對濕度在30-65%這個范圍，光解效率是上升的，相對濕度超過70%后隨之逐漸下降。

（3）風速和絕對濕度差的影響：大量實驗證明風速越大，水蒸氣進出口的絕對濕度差越小，這也就是說風速越大，羥基自由基產生量的絕對值也會越少。因此在風速小的工況下，羥基自由基對揮發性有機物VOCs的貢獻大，風速大的工況下，羥基自由基對有機物降解的作用就會變得十分有限。在設備測試中，風速在低于2m/s的時候，反應效果好，大于6 m/s的時候，水蒸氣進出口的絕對濕度差非常小，光催化效率極低。在一定的設備空間內，風速同時影響了停留時間，一般停留時間增加，廢氣的去除效率有明顯增高。原因是停留時間增加，185 nm紫外光和有機物碰撞次數一定增加。當停留時間達到10s后，延長停留時間，廢氣的降解效率增加并不明顯。所以在低濃度下，延長停留時間并不能等效的增加廢氣去除效率。

（4）光源的選擇和影響：目前，一般選擇185 nm和254 nm兩個波段的真空紫外燈，市場上的UV燈管質量良莠不齊，真空紫外設備進口的風速影響了紫外燈的燈管表面溫度，燈管表面溫度與紫外燈的發光效率有直接關系，燈表溫高于某一數值時會直接影響其發光效率。風速增大，臭氧濃度降低，臭氧產生量沒有明顯變化，說明在3m/s時真空紫外已經被空氣中氧氣充分吸收，增大空氣進氣量，燈管自身產生的臭氧量沒有明顯增加。臭氧與甲苯在自然狀態下是不發生化學反應的。臭氧協同真空紫外光對很多有機廢氣是有降解效果的。254 nm的紫外光可以促進臭氧產生氧自由基，從而氧化廢氣分子，臭氧在真空紫外條件下與空氣中的水蒸氣可產生羥基自由基，羥基自由基可氧化甲苯等廢氣。

（5）合理的設備空間布局和結構：對于凈化設備的制造也有一些問題要注意，目前UV光催化治理VOCs設備的自動化程度低，基本還沒有自動檢測和監控功能，所以對產品的整體效果不能夠進行有效的效率評估。要合理的處理好催化劑的布置、數量，要準確處理好透光性和氣體的流速，要進行合理的能量匹配和結構優化，否則，很多設備的有效去除率是遠遠不夠的。

3 結論

針對影響UV光催化處理效果的主要因素，我們不能盲目夸大UV光催化處理的效果，它只是處理低濃度大風量有機廢氣比較簡易低成本的方法，但是非終極手段，合理有效組合吸附技術、微生物等方法，也是一條好的途徑。在正確使用UV光催化的處理過程中，幾個主要因素都是設備制造商必須綜合考量，另外在自動化方面、如何智能檢測廢氣濃度的變化以適時調節工業廢氣凈化設備的運行工況，提高凈化效率，如何利用正交試驗等獲得工業廢氣處理的最佳組合方式，解決一些關鍵技術問題，如UV光解的催化劑實驗和UV燈最佳效能分析、低溫等離子的電源選擇、微生物培育、微納米氣泡發生器研制等，研制出能被市場廣泛接受工業廢氣處理裝備和檢測方法。

參考文獻：

[1]王紹宇，杜家杰.有機廢氣處理工藝的探討及處理效果的評價[J].化工與醫藥工程，2015（03）.

[2]李長英，陳明功，盛楠，劉啟飛，胡祖和，方敏，張濤.揮發性有機物處理技術的特點與發展[J].化工進展，2016（03）.

[3]王婕.涂料生產中VOC的污染與防治[J].化工設計通訊，2017（09）.

[4]吳蕭，劉盛余，何廷宇，康岷慧，王青青.介質阻擋放電低溫等離子體技術處理3種代表性VOC[J].環境工程學報，2017（10）.

作者簡介：成志明（1973-），女，湖南寧鄉人，碩士研究生，副教授，現擔任東莞職業技術學院制冷專業負責人，從事空氣品質與檢測方面的研究。