揮發性有機污染物處理技術現狀與發展

摘" 要：VOCs的逐年增加嚴重地影響了我國的大氣環境質量，因此引起了諸多學者越來越多的關注。文章就VOCs的來源與其種類進行說明，列舉其常用處理技術及其反應機理，歸納其各個技術優缺點及適用范圍，介紹其處理技術的優化發展，并進一步提出對于VOCs未來處理研究的一個展望。

關鍵詞：VOCs;處理技術;發展與展望

中圖分類號：X511 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2021）13-0159-03

Abstract： VOCs increasing year by year has seriously damaged the ecological environment of our country， so it has attracted the attention of many scholars and studied its treatment technology. According to the source and type of VOCs， this paper enumerates its common treatment technology and its reaction mechanism， summarizes its advantages and disadvantages and applicable scope， and introduces the optimization and development of its treatment technology. Finally， a prospect for VOCs future processing research is further proposed.

Keywords： VOCs; treatment technology; development and prospect

隨著我國科學技術的巨大進步與工業化規模的逐步擴張，產生的揮發性有機物（volatile organic compounds，VOCs）的泛濫已經對我國的環境產生了巨大的危害，誘發了很多惡劣天氣的形成。根據世界衛生組織的定義，VOCs是指在常溫下，沸點50°C至260°C的各種有機化合物。對于我國而言，VOCs是指常溫下飽和蒸汽壓大于70Pa、常壓下沸點在260°C以下的有機化合物，或在20°C條件下，蒸汽壓大于或等于10Pa且具有揮發性的全部有機化合物。VOCs來源廣泛，工業生產與人類活動都會產生VOCs，其中工業源產生的VOCs較多。并且VOCs成分復雜，含有多種有害有毒物質，它們通常都帶有令人不適的特殊氣味，刺激眼鼻并導致發炎，或者引發胸痛，甚至是癌癥。由于我國的VOCs的治理理念還比較落后，因此對于VOCs的處置與處理問題已經日益嚴峻。

國家近年來對環保問題已經愈發的重視，可持續發展觀深入人心。我們應當從實踐出發，提高對于揮發性有機廢氣的治理能力，注重治理方式以及相關技術的進步。對于不同類別VOCs的治理，我國現階段也給出了一些回收與分解的方法并且取得了一定的成效。本文綜述了VOCs污染物的來源與種類及其處理技術，探討了各個技術存在的優缺點，為VOCs污染物的優化處理方法提供借鑒與參考。

1 VOCs的來源及其種類

VOCs廣泛存在于大氣中，它的來源可以劃分為天然源和人為源。天然源主要包括植物呼吸作用，屬于不可控來源。人為源主要為工業源、交通源及生活源。交通源較為簡單，主要來源于汽車、飛機、輪船等交通工具的尾氣排放。生活源的來源較為復雜，涉及垃圾焚燒、油煙排放、食品加工、畜牧養殖、糞便處理以及室內裝修等。工業源是產生VOCs污染物最多的一個源頭，工業上揮發性有機物的產生環節主要有VOCs的生產過程、VOCs產品的運輸存放、使用有VOCs的產品運轉過程等[1]。

VOCs污染物的種類繁多，其中主要包括飽和烷烴類、不飽和烯炔類、芳香烴類、含氧類VOCs、含氯類VOCs等物質。大多數的烯烴都會對環境造成巨大危害，而丙烯由于可以通過光化學反應生成臭氧，因此被認為是一種對環境有十分惡劣影響的污染物;芳香類的VOCs往往包括苯、乙苯、甲苯和二甲苯，其對環境的危害巨大，并且通常帶有毒性和致癌性[2];含氧類的VOCs主要包括甲醇、乙醇、2-丙醇、甲醛、乙醛、丙醛、丙酮等物質;含氯類的VOCs比如二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷、四氯乙烷等都為有害化合物，具有很強的毒性并且難以降解[3]。

2 VOCs的處理技術

當前我國針對不同類別的VOCs污染物的處理方法大致分為兩類：回收與分解。其中，回收處理法是在一定的環境介質條件下采用吸收、吸附、冷凝及膜分離等技術將有機污染物進行富集及提純，并可輔以后續資源化再處理;而分解處理法則是基于化學及生化反應機制的技術，如燃燒法、催化法、生物法、低溫等離子體等，將VOCs分解轉變為無毒或毒性較小的物質，達到分解銷毀污染物的目的[4]。

由于有機廢氣的工況較為復雜，處理工藝的正確選擇將直接影響處理效果與處理的使用成本，所以在處理有機廢氣時，應根據廢氣氣量、濃度、成分等實際工況選擇合適的處理技術[5]。以下將介紹一些常用的技術及其原理并且總結其優缺點，另外介紹一些基于現有技術優化發展起來的研究方法供大家借鑒參考。

2.1 VOCs處理常用技術及其原理

2.1.1 吸收法

吸收法大類上屬于一種濕法工藝，它主要是利用低揮發甚至是不揮發液體作為吸收劑，然后通過吸收裝置利用吸收劑的功能吸收廢氣。由于各個吸收劑的化學反應特性與溶解度存在一定差異，因此可以充分吸附VOCs的各種有害成分。

2.1.2 吸附法

吸附法也可以分為直接吸附法與吸附回收法。直接吸附法就是通過一系列吸附性強的物質來吸附有害氣體。吸附回收法利用多孔材料進行吸附，待材料吸附飽和后通過一定的蒸汽技術對其進行凈化，從而實現回收利用。

2.1.3 冷凝法

冷凝法屬于物理去除法的一種，指利用冷凝器等裝置使VOCs溫度降低至露點并使其凝結為液態后將其脫離并且回收的技術。

2.1.4 燃燒法

燃燒法分為催化燃燒法、直接燃燒法和蓄熱燃燒法。催化燃燒法主要利用了常用催化劑的催化氧化效果以及VOCs的易燃特性，通過燃燒將VOCs物質轉化為無害的H2O與CO2等無機小分子，從而達到凈化目的;直接燃燒法是指將VOCs作為燃料或者助燃輔料在焚燒爐中進行燃燒的方法;蓄熱燃燒法的技術主要利用凈化后的排放氣和有機廢氣交替循環，最大限度地對熱量進行捕捉，給系統提供熱量，然后最大限度地對有機污染物進行過濾[6]。

2.1.5 生物法

生物法主要是利用微生物生命體的新陳代謝，將污染物中的有機成分作為能源以及碳源并以此作為自己的營養源來維持自身的生命活動，同時將有機物分解為CO2以及H2O。

2.1.6 光催化氧化技術

光催化法是近年來興起的一種比較熱門的VOCs處理技術，它的原理是通過貴金屬或非貴金屬催化劑將VOCs吸附到催化劑表面，利用催化劑自身的氧化作用將VOCs快速氧化分解為H2O、CO2和無機小分子等物質。這種技術反應效率快并且也無二次污染，但是存在處理量較小的缺點。

2.2 VOCs常用技術優缺點

VOCs污染物種類復雜，成分繁多，每個工藝的處理使用范圍大不相同并且單一的工藝處理難免存在優缺點。例如，吸收法、吸附法以及冷凝法等以回收為主的方法。它們往往只適合中低濃度的廢氣，雖然投資成本低且處理效果不錯，但是存在后期成本高以及會產生有毒尾氣的缺點。燃燒法的優點在于操作簡單以及運行穩定，缺點是能耗高以及會產生尾氣。生物法以及光催化這種新興的技術，雖然處理效果較好且操作也簡單，但是存在處理量較小，研究還不夠深入以及不易推廣的缺點。

2.3 VOCs的優化發展技術

2.3.1 多種VOCs污染物協同光催化分解技術

在現實生活中許多VOCs污染物是同時存在的，因此需要在催化劑設計之外，再深入探討一下多種VOCs物質共存對整個光催化系統的影響。Li等[7]對甲醛（CH2O）和甲苯（C7H8）混合物的降解進行了綜合分析，首次建立了CH2O/C7H8混合物相對于其單個組分的協同分解效率的聯系。在實驗中，他們使用SnO2為催化劑，并且使用紫外光燈對其進行了足量的照射，確保了其擁有足夠的光催化能力。通過氣相色譜、質譜和密度泛函理論計算表明，CH2O的加入導致了O-托醛作為關鍵中間體的生成，有效地降低了開環的吉布斯自由能，從而提高了芳香環的吸附和活化。因此可以說CH2O的加入是C7H8降解的一個關鍵協同因素。這項研究可以為光催化技術在關鍵氣體污染物分解中的實用性提供更好的參考建議，使略顯“常規”的SnO2光催化劑具有新的應用前景。

2.3.2 微氣泡水/油柱捕集VOCs技術

Sekiguchi等[8]提出了一種利用微氣泡（MB）在水中捕獲VOCs污染物的新方法，考察了氣態甲苯和超細碳顆粒的捕集效率。該實驗將10L超純水放入Pyrex反應器中，并在那里安裝了一臺MB發生器，同時在超純水表面添加了400mL油性物質。MB發電方法采用高速剪切法，其中水和空氣同時送入發電機，發電機內部發生水和空氣的速度差。當水和空氣從MB發生器釋放時，空氣被精細地剪切以產生MB。通過氯化乙烯管連接Pyrex反應器、泵和MB發生器，通過泵循環液體。實驗結果表明，與純水條件相比，當在水表面添加少量含油物質（水體積分數為4%）時，可顯著提高捕集具有疏水性質的氣態甲苯和超細碳顆粒的效率。其中菜籽油和礦物油在高濃度氣態甲苯捕獲實驗中表現出良好的捕獲效率。研究還表明，乳化液的形成對菜籽油的捕獲有很大的影響。因此，預計今后將開發一種新的氣態污染物處理技術，它可以捕獲和去除氣態/顆粒污染物，而不考慮它們的親水性/疏水性。

2.3.3 在常壓微波等離子體反應器中添加蝸牛殼粉

樹脂是熱固性印刷電路板（PCBs）電子廢物的關鍵部分，它含有大量的VOCs污染物以及有毒金屬物質，因此它必須被妥善地處理好。Sanito等[9]通過在常壓微波等離子體反應器中使用粉狀蝸牛殼來消除樹脂中的揮發性有機化合物（VOCs）和金屬元素（金屬和金屬化合物）。實驗結果顯示，殼粉對苯和甲苯的破壞作用顯著，去除率分別為98.8%和100%，而石英砂的去除率為44.9%。較高的殼粉配比可使金屬和金屬的礦化率提高96%以上。拉曼光譜表明，殼粉對這些元素進行了玻璃化。未來的研究應著眼于通過對微波功率、氣體流速、載氣組合、助熔劑比例、樣品組成和助熔劑煅燒的改進，實現元素更大的玻璃化以及更多的VOCs的降解。

3 結束語

VOCs的處理是大氣環境治理中的關鍵一環，由于國家的大力扶持和引導，近年來我國的VOCs治理已經取得一定成效。但是正如本文所述，VOCs成分復雜、種類繁多、污染源分散，采用單一的處理技術難免會存在處理不當的情況，往往還會發生二次污染或者產生較多副產物的情況。而且大多數處理技術也面臨著能耗較高、催化材料消耗過快以及人員操作不規范的艱難處境，這些問題都亟待解決。

在未來我們應該優化發展新技術，研發新的催化材料，提升工藝的處理效率并且降低毒副產物的產生。同時我們也應當探索多種工藝耦合處理的可能性，取長補短，盡可能地發揮每一個工藝的優點，提升整個處理系統的多面性。高效、低成本、綠色環保是未來處理VOCs要達到的目標。在未來VOCs的處理中我們應該多鼓勵各個技術領域的學者進行交流學習，共同探討處理技術的改進。同時，可以進行源頭加終端治理的雙發展。在VOCs產生的源頭上直接進行治理，能減輕后續處理的負擔，節省一定的人力與物力成本，也是一種十分理想的治理方式。

參考文獻：

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[8]Kazuhiko Sekiguchi， Fumio Yasui， Ema Fujii. Capturing of gaseous and particulate pollutants into liquid phase by a water/oil column using microbubbles[J].Chemosphere， 2020，256：126996-127005.

[9]Sanito R C， You S J， Chang G M， et al. Effect of shell powder on removal of metals and volatile organic compounds （VOCs） from resin in an atmospheric-pressure microwave plasma reactor[J]. Journal of Hazardous Materials， 2020，394（15）：122558-122571.