二甲苯廢氣凈化處理技術的研究

王進

（安徽拓維檢測服務有限公司，安徽 宣城 242000）

從光催化理論誕生以來，許多科學家做了大量的研究工作：氣體處理中的光催化研究已推廣到實際技術，但仍停留在室內空氣凈化、除臭、殺菌等方面，在工業廢氣上的應用還相對較少。在控制氣體的分布、流動、停留時間及有效碰撞等方面，工業廢氣中的有機物質含量遠遠高于內部氣體，廢氣管理困難，油漆及絕緣行業中苯系物質含量高，處理困難。光催化是一種高效、經濟的空氣污染物控制技術，有處理設備低、操作簡單、成本低等優點。將反應器按催化劑的現狀劃分為懸浮式反應器，在改進封裝反應器結構基礎上，開發出涂層型催化劑和包覆型反應器。后者主要用來處理氣體雜質，需在以多孔光導材料為載體的涂層催化劑上進行催化分離。

一、降解處理技術

工業處理二甲苯廢氣方法，目前可分降解與回收技術，降解處理技術主要有燃燒法、光解法、生物法、電暈法、等離子法等，回收技術主要有吸收法、膜離法、吸附法等。選擇的方法取決于二甲苯的濃度，清潔要求和利潤。

二、光催化方法在二甲苯廢氣凈化處理中的應用

鑒于二甲苯廢氣處理方法的多樣性，為便于人們了解，本文著重對光催化方法在二甲苯廢氣中的凈化進行了系統論述。

（一）實驗試劑和儀器

二甲苯；環己烷；大氣采樣儀；752型分光光度計；QDF-3型風速儀；≤20nm納米TiO2；普通TiO2；256～265rm紫外光源；QS-05B型臭氧機；HL3-2A-25A型風機。

（二）實驗流程及反應器構造

水浴蒸發的氣體含有一定量的二甲苯，可到達臭氧發生器。在混合室內，臭氧發生器產生一定量的臭氧，與二甲苯完全混合后進入光催化反應器，負載型催化劑與氧和臭氧共同參與紫外光下二甲苯的降解。從理論上講，反應結束后，最終的產物為H2O和CO2。

根據工程實際運行情況，為了防止污染空氣泄漏對環境的影響，一般假設風機處于負壓狀態，將風機安裝在尾部，以增加整個系統的風量控制。

采用2.5m×1.2m×0.42m的矩形光催化反應器，將催化劑載體和光源均勻放置。催化劑通過潤濕和拉伸作用于載體上，其平均負載量為40g/m3。載體為多孔結構，載體之間存在較大的空隙。氣液垂直地向載體運動，并進行垂直地和平行地擴散，形成湍流狀態的氣流，增加了與催化劑的接觸速率。

（三）分析定位和測試方法

檢查分析包括二甲苯的進出口。測定方法為紫外分光光度法。環己烷和二甲苯都是易揮發、易吸收的液體，因此作為吸收液，采樣時間為10min，采樣數據為0.5l/min，為了減少實驗誤差，應盡可能快速準確地進行測量。

在同一水溫下，不同濃度的進口二甲苯受水溫的影響，其濃度會發生變化。試驗結果表明，整機密封狀況良好，前后采樣點風量基本一致，風機送風對二甲苯濃度無影響。

三、結果與討論

（一）催化劑類型對去除效果的影響

對同一工況（即相同的輸入濃度、風速、溫度和光照強度）進行了對比試驗。每日對5組數據進行測量，取平均值作為每日平均。

標準TiO2對二甲苯的降解率相對較低，維持在60%左右，而納米TiO2對二甲苯的降解率極高，穩定后10天，整個體系的降解率基本保持在85%以上，處理效率未見改變，說明TiO2對二甲苯具有良好的催化性能，且催化性能非常穩定。

按照 Scherrer公式，用彎曲峰的半高寬和彎曲角（20）計算出催化劑的粒徑約為4.85 RM，大大小于常規TiO2。二氧化鈦是一種N型半導體材料，在催化過程中，在光的作用下產生大量電子和空穴，使水中的有機污染物和二氧化碳保持較強的氧化活性。隨TiO2顆粒大小的減小，電子和孔洞越多，催化效果越好。其主要原因是納米TiO2對二甲苯的降解率比普通TiO2高得多。

針對納米TiO2催化劑的催化性能比普通TiO2催化劑好的特點，將納米TiO2催化劑應用于后續實驗。

（二）光源強度對去除效果的影響

本試驗所用紫外線光源強度為100W；10=1000W。通過將納米TiO2放入500m3/h的空氣中，并在808451臭氧作用下，考察光強度對降解效率的影響。若10個燈，5個燈，全部關掉，系統每10天運行一次，每天測量5組數據，平均值作為當天的降解效率。

在整個反應過程中，紫外光為二氧化鈦提供能量，通過電子和空穴，產生新的光。從理論上說，不管電子和空穴的強度如何，都能刺激它們的產生；只要有一定波長的光能，如果所有的燈都開啟，一半的燈都關閉，傳輸速度就會稍微下降。原因在于整個反應堆的光線分布不均，不會導致反應堆的某些區域有紫外線輻射或微弱紫外線輻射，從而導致放電速率下降。光強的變化不影響光強的變化，只要光強分布均勻，輻射范圍沒有明顯變化。但是，如果所有的燈都關掉了，傳輸速度仍然是80%左右，這主要是因為催化劑表面保留了大量的空穴和電子。在反應器中臭氧吸收的許多紫外光可以為催化劑提供能量，使其產生電子和空穴，還可以使二甲苯吸附在一些氣體中。當體系繼續運行時，吸附量逐漸達到飽和，催化劑表面電子數和空穴數減少，反應逐漸停止，導致降解速率明顯下降，經10天后，最終恢復到10%，這充分說明紫外光對反應的重要性，紫外光的波長而非強度與反應有密切關系。

為確保整個系統的均勻布光，在隨后的實驗中使用了10盞紫外燈，總光源強度為10×100W=1000W。

（三）臭氧對去除效果的影響

臭氧氣對系統降解的影響與其發生器的啟動和關閉有關。在相同的輸入濃度、流量、紫外強度和結構條件下，系統對臭氧的去除率為82.6%，而在關閉臭氧的情況下，去除率為77.4%。

實驗表明，臭氧對降解過程影響不大。臭氧等強氧化劑在理論上也參與了二甲苯的降解。但在光催化過程中，反應器內大量的紫外光是必不可少的，臭氧對紫外光有一定的吸收和屏蔽作用，在一定程度上削弱了臭氧對整個系統的降解作用。

（四）風量對去除效果的影響

因為整個系統依賴于連接在尾部的風扇，以保證排氣與催化劑之間的接觸，所以氣量受排氣與催化劑之間的接觸速度和接觸時間的影響。

隨著氣量的增加，反應器內殘余氣體不斷減少，降解率從92.9%持續下降至84.3%，說明風量仍然對降解過程產生重要影響。

四、結束語

納米TiO2由于其獨特的粒徑，其處理效率明顯優于普通TiO2，是實際應用的首選催化劑。UV是反應的基本參數之一，它的強度對透過率的影響很小，但必須保證反應器內 UV與催化劑充分接觸，使廢氣得到凈化。在實際應用的設備設計中，以風量和入口濃度為關鍵點，臭氧的存在雖然有助于提高降解率，但也有屏蔽紫外線的作用，對降解率有一定的影響。若反應器尺寸固定，加氣量較大，則處理效果較差。但由于風量太小，不能實現工業應用，所以在實際應用中應考慮這一問題。其中，輸入濃度即反應器濃度負荷也是設計的重點之一。入口濃度直接影響污染物分子與催化劑之間的接觸，負載過低或過高都無法達到最佳降解效果。研究了催化劑種類、紫外光強度、臭氧、空氣容量、反應器負荷等因素對二甲苯去除率的影響。采用納米二氧化鈦作催化劑，紫外光強度達1000W，光分布均勻，空氣流量1000m3/h，進料濃度350 mg/m3，臭氧進料，二甲苯平均降解率達90%以上。