揮發性有機廢氣凈化技術研究進展

曾林輝，鐘業辛

（宜春市上高生態環境保護綜合執法大隊，江西 宜春 336400）

含酮類、醛類、烴類的揮發性有機廢氣很容易引發大氣污染問題，為有效處理排放行業眾多、種類繁多的揮發性有機廢氣，近年來各類揮發性有機廢氣凈化技術不斷涌現。為合理應用相關技術，正是本文研究的目標所在。

1 揮發性有機廢氣凈化技術研究現狀分析

結合揮發性有機廢氣凈化技術研究現狀可以發現，這類技術可細分為源頭消減類技術、過程控制技術、末端治理技術。源頭消減技術指的是通過降低有害原料使用量實現揮發性有機廢氣排放的源頭控制，但受到經濟因素和生產工藝限制，這類技術的難度較大；過程控制技術主要依托泄漏檢測、遙感監測等技術監測揮發性有機廢氣在生產過程中的排放情況，如基于泄漏檢測與修復計劃的揮發性有機廢氣監測擁有60～80%的減排效率；末端治理技術指的是基于現有治理技術開展揮發性有機廢氣凈化，常見技術包括吸收技術、膜分離技術、冷凝技術、吸附技術、燃燒技術、生物處理技術、低溫等離子體技術等，這類技術在揮發性有機廢氣凈化的適用流量、適用濃度、去除率、投資成本、運行費用、二次污染層面均具備顯著差異，筆者將在下文中對這類揮發性有機廢氣凈化技術的研究進展開展深入探討。

2 揮發性有機廢氣凈化技術研究進展

2.1 吸收技術

基于吸收劑中揮發性有機廢氣存在的不同溶解度，吸收技術可實現廢氣的分離凈化，水型復合吸收劑、礦物油類吸收劑、離子液體吸收劑、高沸點有機溶劑均屬于常用的吸收劑，吸收技術具備能耗低、吸收效率高、工藝成熟等優勢，在多數揮發性有機廢氣處理中均能夠發揮理想效果[1]。結合相關研究可以發現，水型復合吸收劑具備無二次污染、揮發損失少、成本低、吸收效果稍低特點，礦物油類吸收劑具備極易揮發、組分復雜、吸收容量高、成本高、二次污染嚴重等特點，離子液體吸收劑具備揮發性低、溶解性好、熱穩定性強、無二次污染、離子導電性出色等特點，高沸點有機溶劑具備難度大、成本高、吸收效率高等特點。在近年來的相關研究中，微乳液和離子液體受到了國內外學界的高度重視，圍繞助表面活性劑N－甲基吡咯烷酮、十二烷基咪唑雙氰胺鹽的相關研究因此大量涌現，這類吸收劑在揮發性有機廢氣凈化中有著較為出色表現。

2.2 膜分離技術

基于膜的選擇透過性，膜分離技術可通過揮發性有機廢氣各組分透過膜存在的不同傳質速率實現分離，膜基吸收法、氣體膜分離法、蒸汽滲透法均屬于典型的膜分離技術。以典型的膜油氣回收裝置為例，膜分離技術的應用可實現裝車1－己烯尾氣的回收，具體流程如圖1所示。

圖1 膜分離技術流程示意圖

圍繞上圖進行分析可以發現，經壓縮機的1－乙烯蒸氣/氮氣會進入吸收塔中部，與液態1－己烯（塔頂噴淋）對流吸收，底部1－己烯液體富集后經回流泵進入儲槽，少量未能吸收的混合氣分離由頂部的膜分離器完成，最終可直接排空氮氣，1－乙烯則會自動返回壓縮機[2]。結合近年來業界圍繞膜分離技術開展的研究可以發現，高滲透性、高選擇性、耐腐蝕、耐磨、熱穩定好的新型膜材料屬于研究重點，交聯聚偏氟乙烯/聚二甲基硅氧烷復合膜便屬于其中典型，該新型膜材料在N2/VOC二元混合氣體中對VOC的選擇性和滲透性較好。

2.3 冷凝與吸附技術

基于有機物在不同溫度下存在不同飽和度的原理，冷凝技術可通過降低溫度或提高壓力等方式實現揮發性有機廢氣凈化，冷卻介質一般選擇冷鹽水、NH3、H2O等物質。冷凝技術對設備要求較高但存在工藝簡單特性，在少量高濃度揮發性有機廢氣凈化中有著出色表現；吸附技術能夠通過選擇性吸附揮發性有機廢氣完成凈化，分子篩、活性炭、高分子吸附材料、疏水硅膠均屬于常用的吸附劑。分子篩吸附劑具備水熱穩定性強、微孔結構均勻、優先吸附不飽和分子與極性分子等特性，活性炭吸附劑具備比表面積極大、孔容較大、成本較低等特點，高分子吸附材料具備微孔結構有序、孔徑可調節、對三氯乙烯等吸附能力較強特性，疏水硅膠吸附劑具備機械強度高、表面活性高、比表面積大、安全性能好等特性。

吸附技術具備凈化效率高、工藝成熟等特點，在低濃度揮發性有機廢氣凈化中有著出色表現，一般用于油氣回收。

2.4 燃燒技術

燃燒技術同樣可用于揮發性有機廢氣凈化，該技術可細分為直接燃燒技術、蓄熱式燃燒技術、催化燃燒技術。直接燃燒技術指的是直接將揮發性有機廢氣作為燃料，能夠在1 100 ℃的條件下得到H20和CO2產物，該技術具備運行費用低、設備簡單、易產生二次污染、熱效率低等特性，適用于回收價值不大、高燃燒熱值的高濃度揮發性有機廢氣處理，但由于技術本身的安全隱患和能耗較高，近年來該技術的應用逐漸減少[3]；蓄熱式燃燒技術指的是應用蓄熱材料和熱交換技術處理揮發性有機廢氣，以此得到H20和CO2產物，該技術在包裝印刷、石油化工等領域的應用較為廣泛，如基于涂裝過程產生的苯等揮發性有機廢氣可通過RTO三床式蓄熱式熱力氧化器在800 ℃條件下進行凈化處理。如上海寶鋼包裝公司由此實現了苯、甲苯等揮發性有機廢氣的凈化，相較于催化燃燒爐和直燃式燃燒爐，該企業實現了每年降低能源成本200余萬元；催化燃燒技術能夠通過利用催化劑實現反應速率提升和反應溫度控制，該技術可基于200～400 ℃條件實現揮發性有機廢氣凈化，揮發性有機廢氣能夠得到徹底分解，具備無二次污染、效率高的特性，但同時催化燃燒技術存在較高的廢氣要求且催化劑易出現失活問題。催化劑性能直接關系揮發性有機廢氣凈化效果，貴金屬催化劑屬于現階段應用較為廣泛的催化劑，如Pt－Pd催化劑，但由于這類催化劑存在較差的耐毒性、耐熱性且成本較高，貴金屬催化劑替代品的研究近年來也受到廣泛重視，鈣鈦礦型氧化物復合物、復合過渡金屬氧化物等屬于這類研究的重點。

2.5 生物處理技術

生物處理技術可細分為生物洗滌法、生物滴濾法、生物過濾法。生物洗滌法采用比表面積大、多孔的惰性材料，具備較為穩定的整體操作、過程容易控制、中等投資等優勢，但同時存在運行費用較高、設備復雜等不足。生物滴濾法采用合成填料或天然惰性填料，如泡沫、聚氨酯、樹脂、陶瓷等，具備運行費用低、中等投資等優勢，但同時存在易產生廢水、操作要求高等不足。生物過濾法采用泥炭、堆肥、土壤等有機填料，具備運行和投資成本低、操作簡單、低壓降等優勢，但同時存在床層易堵塞、填料pH值及濕度控制難度較高等不足。生物洗滌法、生物滴濾法、生物過濾法的去除率分別為60～98%、90～99%、90～95%。生物處理技術多用于低濃度揮發性有機廢氣的凈化，所用菌種與填料、反應器工藝條件、廢氣成分均會影響凈化效果。為提升生物處理技術實用性，近年來的相關研究主要聚焦用于化學穩定性強和結構較為復雜揮發性有機廢氣降解菌種的培養，培養周期短、分解能力高的高適應能力菌種的培養和篩選屬于研究熱點。

2.6 低溫等離子體技術

除上述技術外，低溫等離子體技術同樣屬于典型的揮發性有機廢氣凈化技術，基于高壓電場中介質放電對揮發性有機廢氣進行大量高能電子轟擊，發生電離解離、激發等物理化學反應的揮發性有機廢氣可轉化為H2O和CO2。低溫等離子體技術具備處理效率高、可生成高活性低溫等離子等優勢[4]，但同時具備較為苛刻的均勻低溫等離子產生條件、較高能耗等不足，結合業界圍繞低溫等離子體技術的相關研究和實踐能夠發現，現階段的低溫等離子體技術適用于低濃度揮發性有機廢氣凈化處理。低溫等離子體技術主要采用輝光放電、介質阻擋放電、電暈放電、射頻放電等放電方式，相關研究多基于介質阻擋放電和電暈放電開展，由此結合催化劑技術或吸附技術即可對揮發性有機廢氣流量及初始濃度、放電方式等因素對處理效果帶來的影響進行研究。如基于脈沖等離子體源發生電暈放電，圍繞苯乙烯，在10 L/min流量、0.035%質量分數，以及27.4 J/L的能量密度、8.5 kV的電壓下，低溫等離子體技術可取得98.6%的揮發性有機廢氣去除率，該技術的實用性可見一斑。

3 結論

綜上所述，揮發性有機廢氣凈化技術具備廣闊發展前景。在此基礎上，本文涉及的吸收技術、膜分離技術、冷凝技術、吸附技術、燃燒技術、生物處理技術、低溫等離子體技術等內容，則直觀展示了揮發性有機廢氣凈化技術的研究現狀和應用要點。為更好開展揮發性有機廢氣凈化處理，必須設法進一步降低揮發性有機廢氣凈化的運行和投資成本，以此尋求穩定、高效、經濟、簡單的揮發性有機廢氣凈化技術。