揮發性有機物處理新技術的研究

劉麗

摘要：揮發性有機物（VOCs）是一種來源廣泛、成分復雜且對自然環境和人體健康有嚴重威脅的物質。現階段關于揮發性有機物的處理技術，大體可以分為回收、分解兩種類型，回收技術又包括低溫冷凝回收、吸附回收、膜分離回收等;分解技術則包括燃燒分解、生物分解、光催化分解等。隨著相關技術的創新和處理要求的提升，近年來組合式技術得到了推廣使用。例如“冷凝+吸收”組合技術、“噴淋洗滌+催化氧化”組合技術等。組合式技術可以將兩種及以上技術的應用優勢加以整合，從而讓揮發性有機物的處理效率更高，處理結果更加徹底。

關鍵詞：揮發性有機物 ?膜分離技術 ?光催化技術 ?低溫等離子體凈化

中圖分類號：X701文獻標識碼：A ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2021）12（a）-0000-00

Study on New Technology of Volatile Organic Compounds Treatment

LIU Li

（Shenyang Environmental Technology Assessment Center，Shenyang， Liaoning Province，110141 China）

Abstract： Volatile organic compounds （VOCs） are a wide range of sources， complex components and a serious threat to the natural environment and human health. At present， the treatment technology of volatile organic compounds can be divided into two types： recovery and decomposition. The recovery technology includes low-temperature condensation recovery， adsorption recovery， membrane separation recovery， etc.; the decomposition technology includes combustion decomposition， biological decomposition， photocatalytic decomposition， etc. With the innovation of related technology and the improvement of processing requirements， combined technology has been widely used in recent years. For example， "condensation + absorption" combined technology， "spray washing + catalytic oxidation" combined technology. Combined technology can integrate the application advantages of two or more technologies， so that the treatment efficiency of VOCs is higher and the treatment results are more thorough.

Key Words：Volatile organic compounds; Membrane separation technology; Photocatalytic technology; Low temperature plasma purification

2013年國家環保部發布了《揮發性有機物（VOCs）污染防治技術政策》，分別從源頭預防、過程控制、末端治理和綜合利用等幾個方面，對揮發性有機物的預防及處理技術進行了總結。技術的創新與發展，在進一步提升揮發性有機物處理成效方面起到了關鍵作用。現有的技術體系基本上可以滿足人們對于揮發性有機物處理的要求，但是也存在處理成本較高、處理不夠徹底、處理流程繁瑣等問題。因此，今后要繼續加強揮發性有機物處理新技術的研究，按照先試點、再推廣的順序，將更多新技術、新方法應用到揮發性有機物的處理工作中。

1揮發性有機物的回收技術

1.1低溫冷凝回收

將含有揮發性有機物的空氣收集起來，置于密閉容器中，通過降低溫度的方式，讓揮發性有機物從氣態變為液態，凝結形成的液珠附著在光滑的容器壁上，在重力作用下匯集到容器下方的收集瓶中，完成回收。低溫冷凝回收適用于那些空氣中揮發性有機物含量較高的情況，在較為緩和的條件下能夠取得理想的回收效果。但是在實際應用中，空氣中揮發性有機物的含量較低，因此一般很少單純地使用低溫冷凝技術進行回收[1]。出于對經濟性考慮，需要采用吸附等方法進行預處理，將空氣中分散的揮發性有機物聚集起來，達到一定濃度后再進行冷凝，效果更加理想。

1.2吸附回收

利用特定的吸附劑可以使空氣中飄散的揮發性有機物附著在吸附物上，然后對揮發性有機物進行集中處理。根據組成成分的不同，常用的吸附劑可以分為活性炭吸附劑、硅膠吸附劑等多種類型。使用方法是將多孔狀的吸附劑，置于某管道或容器的開口處，在風力作用或壓力作用下，讓含有揮發性有機物的空氣，從吸附劑的一側通向另一側。揮發性有機物在通過吸附物時，會附著在上面。一段時間后，吸附劑達到飽和狀態，將其替換下來，從而實現了對揮發性有機物的回收。吸附回收技術的優點在于成本較低，且操作簡便，適用于空氣中揮發性有機物含量較低的情況。另外，纖維狀、蜂窩狀的吸附劑，表面積更大，吸附效果更佳。

1.3膜分離回收

隨著膜技術的成熟，膜分離也成為揮發性有機物回收處理中較為常見的一種技術形式。生物膜具有選擇透過性，回收方式與上文的吸附回收類似，將吸附劑替換為生物膜，當含有揮發性有機物的空氣經過生物膜時，揮發性有機物被攔截下來，并附著在生物膜的表面，達到了分離、回收的目的。膜分離回收是一種較為成熟的技術，早在20世紀40年代，美國已經開始使用這一技術回收揮發到空氣中的汽油分子。之后隨著膜技術的發展，逐漸在芳香族化合物、含氧有機化合物的分離中得到了推廣使用。根據空氣中揮發性有機物濃度的不同，膜分離回收效果也有較大差異。在一些濃度較高的情況下，揮發性有機物的回收率可以達到90%以上[2]。

2揮發性有機物的分解技術

2.1燃燒分解

揮發性有機物具有可燃性，通過燃燒將大分子有機物分解為小分子無機物，從而降低其危害。根據燃燒方式的不同，又可以分為直接燃燒、蓄熱燃燒、多孔介質燃燒3種常見技術。

2.1.1直接燃燒

當揮發性有機物達到一定濃度后，向其中加入助燃劑，然后直接燃燒。由于揮發性有機物的成分復雜，個別成分在燃燒過程中會釋放出有毒的、刺激性氣體。因此，在直接燃燒法中，還需要對燃燒氣體進行檢測，并且對其中的有害成分進行無害化處理。直接燃燒法雖然對設備要求不高，處理成本較低，但是也存在許多缺陷。除了產生有害氣體外，還需要提供高溫條件，而溫度越高，安全隱患越多。

2.1.2蓄熱燃燒

對于待處理的廢氣，燃燒分解前可以先進行預熱，其目的主要有兩個：一是增強揮發性有機物的分子活躍度，以便于燃燒更加充分，對有害物質的去除更加徹底;二是縮短處理時間，降低對燃燒系統的運行要求。蓄熱燃燒系統由若干個子系統構成，包括閥門系統、蓄熱式、燃燒室等。隨著工藝改良，現階段蓄熱燃燒系統大多采用雙室蓄熱工藝，蓄熱室由陶瓷、高鋁土等導熱性較好的材料構成，進一步提高了熱回收效率，降低了燃燒分解的成本和能耗。

2.1.3 多孔介質燃燒

該方法是現階段技術含量較高、且應用效果最為理想的燃燒分解方法。使用多孔狀的介質材料，增大了材料表面與揮發性有機物的接觸面積，其原理類似于吸附技術中蜂窩狀的吸附劑。在介質材料的選擇上，優先考慮導熱性能好、蓄熱能力強的材料。先利用上游廢棄進行材料預熱，然后再通過燃燒產生熱量進行分解，進一步提升了揮發性有機物的處理效果。從實際應用效果來看，多孔介質燃燒技術的顯著優勢主要體現在兩點：一是燃燒更加穩定，對反應容器和燃燒設備的要求相對較低，安全性更好;二是揮發性有機物的去除率更高，通常在98%以上[3]。

2.2生物分解

利用微生物活動可以將成分復雜的揮發性有機物，轉化為比較簡單的無機物，例如H20、CO2等。生物降解的基本流程為：首先選擇溶解度較強的溶劑，將待處理的廢氣通入溶劑中;當廢氣中的揮發性有機物溶于溶劑后，使溶劑緩慢的流過生物膜;在流動過程中，附著在生物膜上的微生物，會對揮發性有機物進行降解、轉化。例如，某些微生物以揮發性有機物作為食物，經過消化后產生無毒無害的排泄物，從而降低了揮發性有機物的危害。影響生物分解揮發性有機物效果的因素，主要有溫度（影響微生物生命活動）、菌種（影響分解速率）等。生物分解技術的應用優勢在于易于操作、不產生二次污染。但是缺點也比較明顯，例如：溫度過高或過低，都會影響微生物的活動，分解效果不穩定。

2.3光催化分解

光催化降解法是利用光能促使半導體（通常為TiO2）催化劑在其表面發生光化學作用，引發某些氧化還原反應的進行，從而對揮發性有機物進行去除。利用模塊法制備TiO2納米材料，發現制得的催化劑表面因為氧空位較多，可以將體積分數為300×10-6的苯在4 h內去除完全[4]。從實踐應用效果來看，光催化分解的優勢明顯，比如：能耗較低，去除率高，并且適用于不同濃度的揮發性有機物處理。但是作為一項新技術，光催化分解也存在不完善的地方，比如：分解過程中產生較多的中間產物。這些產物中有一部分存在污染性，如果處理不當，很容易引發二次污染。還有就是對催化劑的選用較為嚴格，催化劑失活，達不到反應條件等，都無法保證光催化分解的進行。

2.4低溫等離子體凈化

低溫等離子法利用等離子體放電的方式，可以處理較多的揮發性有機物，對質量濃度小于100 mg/m3的揮發性有機物處理效率極高，可在常溫常壓下進行。有研究人員利用電子束照射產生低溫等離子體，對含有甲苯和四氯甲苯的混合型揮發性有機物氣體進行處理，處理結果較為樂觀。在應用這一方法時，溫度的控制是決定揮發性有機物去除率的關鍵因素。考慮到低溫等離子體凈化處理中，可能會產生有機廢氣，因此在處理工藝中，還需要針對中間產物的特性，增加專門的處理設備。

3揮發性有機物處理新技術

揮發性有機物的組成成分極為復雜，含量較高的有鹵代烴、含氧有機化合物、非甲烷碳氫化合物等幾大類，每個類別下又可以細分成若干種單體物質。由于不同化合物的分子結構、理化性質存在較大差異，如果使用單一處理技術，往往并不能取得理想的效果[5]。近年來，組合式處理技術得到了推廣使用，兩種或多種技術進行優勢互補，進一步提高了揮發性有機物的處理效果。

3.1冷凝+吸收組合技術

當空氣中揮發性有機物的含量較低時，單一地使用冷凝法或吸收法進行回收，需要較為嚴苛的條件和較高的成本。如果采用“冷凝+吸收”組合技術，則可以避免此類問題。先將含有揮發性有機物的廢氣，通過低溫冷凝設備，在低溫、高壓的環境下，揮發性有機物的濃度升高。然后再通過吸收法，可以較為方便和高效地完成揮發性有機物的吸收。該組合式技術的工藝穩定、操作方便、成本較低，相比于單一的回收技術，揮發性有機物的回收效率可以達到95%以上。

3.2吸附濃縮+燃燒組合技術

吸附技術可以將空氣中低濃度的揮發性有機物富集起來。經過吸附達到飽和狀態的吸附劑，如何進行無害化處理，是應用吸附技術時必須要考慮的問題。采用“吸附濃縮+燃燒”組合式技術，首先利用活性炭等吸附劑，富集揮發性有機物。然后將飽和的活性炭，放置于密閉的反應容器內，經過燃燒后得到無毒無害的無機物。由于揮發性有機物和活性炭都屬于可燃物，燃燒時產生的熱量可以用于供暖、發電，實現了資源的循環利用。

3.3噴淋洗滌+催化氧化組合技術

揮發性有機物可溶于水，根據這一特性，可以設置一處噴淋室，讓含有揮發性有機物的廢氣通過噴淋室。噴淋出來的水可以與廢氣充分接觸，可以吸收其中的揮發性有機物。經過水洗處理后，將含有揮發性有機物的廢水，倒入相應的反應裝置中，在特定條件下，加入催化劑，發生催化氧化反應，將廢水中的揮發性有機物轉化為溶于水的無機物（如H20、C02等）[6]。經過處理后的廢水，還可以重新進入到噴淋系統中，循環利用。既可以降低處理成本，又符合當前提倡的綠色環保理念。

4結語

2020年是決勝“藍天保衛戰”的關鍵之年。揮發性有機物具有成分復雜、來源廣泛、危害嚴重等特點，是空氣治理工作中的重點對象。選擇恰當的技術方法，能夠以較低的成本、簡單的設備，提高揮發性有機物的去除率，從而達到凈化環境、保護生態的目的。現階段，在使用冷凝回收、吸附回收、燃燒分解、生物分解等技術的基礎上，采用多種方法的組合式技術，可以進一步提高處理效果，具有推廣使用價值。

參考文獻

[1] 關昱，施建中，張明錦，等.揮發性有機物（VOCs）治理技術及其研究進展[J].上海節能，2020（1）：45-48.

[2] 邱洪華，王斌. 基于專利質量指標的中美揮發性有機物治理技術創新活動評價[J]. 中國科技論壇，2020（5）：163-172.

[3] 高寒，董艷春，周術元.貴金屬催化劑催化燃燒揮發性有機物（VOCs）的研究進展[J].環境工程，2019（3）：136-141.

[4] 劉尚銘.揮發性有機物治理措施現狀分析[J].化工管理，2019（16）：47-48.

[5] 劉宇彤.我國工業VOCs集中處理生命周期評價及技術經濟研究[D].長春：吉林大學，2019.

[6] 尹萌萌.低溫常壓蒸發處理含揮發性有機物高鹽廢水及效能研究[D].北京：中國地質大學（北京），2017.