關(guān)于揮發(fā)性有機(jī)物治理技術(shù)的研究

李 巍，楊 靜

（中圣環(huán)境科技發(fā)展有限公司，陜西 西安，710065）

分析我國近幾年來霧霾天氣與PM2.5頻繁出現(xiàn)的原因，與大氣環(huán)境中揮發(fā)性有機(jī)物的含量過高有著直接關(guān)系。揮發(fā)性有機(jī)物不僅會(huì)破壞臭氧層，還會(huì)形成光化學(xué)煙霧，對人類的身心健康造成危害。所以相關(guān)企業(yè)必須要采取針對性措施，對大氣環(huán)境中的揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行有效治理。但是，不同揮發(fā)性有機(jī)物治理技術(shù)有著不同的優(yōu)勢和劣勢，只有準(zhǔn)確理解揮發(fā)性有機(jī)物的定義，明確揮發(fā)性有機(jī)物的來源與危害，并結(jié)合揮發(fā)性有機(jī)物的實(shí)際情況，選擇合適的治理技術(shù)，才能夠達(dá)到預(yù)期的治理效果。

1 揮發(fā)性有機(jī)物的來源

揮發(fā)性有機(jī)物主要來源于天然源和人為源。例如，在自然環(huán)境中，某些植物在生長過程中就會(huì)產(chǎn)生一部分揮發(fā)性有機(jī)物，并伴隨自然災(zāi)害的出現(xiàn)，這就是揮發(fā)性有機(jī)物的天然源。另外，在人類日常生產(chǎn)生活中，石油化工、包裝印刷、涂料裝飾等行業(yè)在生產(chǎn)加工過程中，也會(huì)產(chǎn)生各種各樣的揮發(fā)性有機(jī)物，例如醛類、醇類或者烴類等。在日常生活中，剛剛裝修完的房子也會(huì)釋放出一定量的有毒氣體。只有采用針對性的廢氣處理方法，將室內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物的濃度降到國家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，確保其不會(huì)對人體健康造成傷害，才能夠正式入住[1]，這些都屬于揮發(fā)性有機(jī)物的人為源。經(jīng)專業(yè)領(lǐng)域的研究和估算發(fā)現(xiàn)，在世界范圍內(nèi)，自然環(huán)境會(huì)向大氣環(huán)境中排放11.5億噸的揮發(fā)性有機(jī)物，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人為源的排放。但是，在我國工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程不斷推進(jìn)的形勢下，人為源排放的揮發(fā)性有機(jī)物含量越來越多。在這種情況下，只有采取針對性的治理措施和預(yù)防措施，才能夠盡可能地減少人為源排放的揮發(fā)性有機(jī)物的數(shù)量，避免其對人類的身心健康產(chǎn)生危害。

2 揮發(fā)性有機(jī)物的危害

2.1 光化學(xué)反應(yīng)

當(dāng)揮發(fā)性有機(jī)物受到陽光照射后，就會(huì)與大氣中的氮氧化物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，形成含有臭氧、醛類或者過氧硝基酰等物質(zhì)的光化學(xué)煙霧。光化學(xué)煙霧的存在，不僅會(huì)對大氣環(huán)境產(chǎn)生二次污染，還會(huì)刺激人的眼睛和呼吸系統(tǒng)，從而威脅人體健康。同時(shí)，也會(huì)對農(nóng)作物的健康生長產(chǎn)生影響，使其出現(xiàn)發(fā)育不良或者死亡等現(xiàn)象。

2.2 對人體神經(jīng)系統(tǒng)和肝功能產(chǎn)生影響

大多數(shù)揮發(fā)性有機(jī)物都帶有一定的毒性，并伴有惡臭氣味。如果大氣環(huán)境中的揮發(fā)性有機(jī)物濃度突然升高，那么就有可能使人體出現(xiàn)中毒癥狀，并面臨死亡威脅。首先，苯類化合物會(huì)對人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生難以逆轉(zhuǎn)的傷害，對人體的血液和造血器官產(chǎn)生危害，使人在出現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)障礙后，患上敗血癥。其次，在氧化作用下，苯類化合物還有可能在人體內(nèi)生成苯酚。苯酚的存在，不僅會(huì)傷害人體的肝功能，還會(huì)影響人體骨骼的生長發(fā)育，是人類罹患再生障礙性貧血等疾病的主要元兇之一。最后，如果大氣環(huán)境中的苯類物質(zhì)濃度過高，還有可能使人類出現(xiàn)急性中毒癥狀，甚至失去生命。

2.3 誘發(fā)火災(zāi)和爆炸事故

絕大多數(shù)揮發(fā)性有機(jī)物都具有易燃易爆的特性，如果排放時(shí)的濃度過高，就有可能引發(fā)火災(zāi)事故和爆炸事故。例如，汽油、苯、酒精等物質(zhì)的閃點(diǎn)都在28 ℃以下。所謂閃點(diǎn)，其實(shí)就是可燃?xì)怏w發(fā)出的蒸汽與空氣中混合物、火源接觸后能夠閃燃的最低溫度[2]。尤其是苯，與空氣混合的爆炸極限僅有1.5%～9.5%，如果排放濃度過高，就很容易引發(fā)火災(zāi)事故，威脅周圍人們的生命健康安全。

2.4 破壞臭氧層

臭氧層在大氣環(huán)境中的平流層，海拔高度約為10～50 km，平流層以下是對流層，絕大多數(shù)揮發(fā)性有機(jī)物在大氣環(huán)境中的對流層會(huì)被成功氧化轉(zhuǎn)換或干、濕沉降，無法進(jìn)入平流層。但是，某些特殊有機(jī)物，例如含有氟、氯或溴等元素的鹵代化合物，就會(huì)從對流層進(jìn)入平流層，并對臭氧層產(chǎn)生破壞。

3 揮發(fā)性有機(jī)物治理技術(shù)

3.1 吸附法

應(yīng)用吸附法治理揮發(fā)性有機(jī)物的原理，是氣體混合物在選擇吸附劑方面存在著明顯的差異，可以利用這一特殊的物理方式或者化學(xué)方式，對復(fù)合污染物氣體進(jìn)行分離和提純處理，其原理如圖1所示。吸附法在揮發(fā)性有機(jī)物治理中的優(yōu)勢，是可以對某些價(jià)值較高的揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行回收，因?yàn)槲椒ㄊ褂玫奈讲牧鲜且越?jīng)過氧化處理后的活性炭為主，而活性炭對于揮發(fā)性有機(jī)物吸附能力的高低，直接受到工作環(huán)境溫度與濕度的影響，處理效率相對較高。但是，吸附法的應(yīng)用也存在著明顯的弊端。例如，在選擇使用吸附法時(shí)，必須要對工作環(huán)境的溫度、濕度等因素進(jìn)行嚴(yán)格控制。與此同時(shí)，還要及時(shí)更換吸附劑，否則將會(huì)因?yàn)槲斤柡投绊憮]發(fā)性有機(jī)物的治理效果。近年來，研究人員一直在研究吸附法的改進(jìn)方法，例如加設(shè)吸附脫水裝置或催化燃燒處理環(huán)節(jié)等，希望可以借此降低有機(jī)物吸附劑的更換頻率，減少二次污染的可能。

圖1 吸附法的應(yīng)用原理

3.2 吸收法

應(yīng)用吸收法治理揮發(fā)性有機(jī)物的原理是揮發(fā)性有機(jī)物可以溶于油類物質(zhì)。利用這一技術(shù)，只需要選擇合適的吸收劑，就可以最大限度地吸收揮發(fā)性有機(jī)物，并挖掘吸收后揮發(fā)性有機(jī)物的二次利用價(jià)值，產(chǎn)生相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。這種治理技術(shù)與其他吸收法的應(yīng)用一樣，面臨著吸收劑選擇困難的問題，所以，研究人員一直在研究采取何種技術(shù)優(yōu)化措施，才能夠降低揮發(fā)性有機(jī)物的治理成本，提高揮發(fā)性有機(jī)物的治理效率，減少揮發(fā)性有機(jī)物的危害[3]。例如，在特殊條件下，將水作為吸收劑，雖然可以降低揮發(fā)性有機(jī)物的吸收效率，但是與其他吸收劑相比，成本卻非常低廉，產(chǎn)生的危害性也較小。另外，擴(kuò)大氣液接觸面積也可以效提高揮發(fā)性有機(jī)物的吸收效果。

3.3 冷凝法

不同氣體具有不同的飽和度。而冷凝法，就是一種利用專門的氣體冷卻回收裝置，對不同類型的揮發(fā)性有機(jī)氣體進(jìn)行液化回收的方法。例如，如果在工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的廢氣中存在的揮發(fā)性有機(jī)物凝固點(diǎn)很低，就可以利用增大壓力的方法提高氣體的冷凝效率和冷凝質(zhì)量。

根據(jù)接觸形式的不同，冷凝法主要分為兩種：一種是表面冷凝法，即直接將廢氣與冷卻液進(jìn)行間壁式接觸或者列管式接觸；另一種是接觸冷凝法，指的是利用噴淋塔的接觸來保證廢氣與冷卻液的充分接觸[4]，其中，接觸冷凝法的運(yùn)行成本更高。雖然這種揮發(fā)性有機(jī)物治理技術(shù)僅適用于小空間的揮發(fā)性有機(jī)物處理，但是對于工作人員操作技能的要求卻非常苛刻，而且需要花費(fèi)一定的成本，才能保證處理環(huán)境的低溫性與高壓性。針對冷凝法的研究，目前主要集中在降低能耗方面。

3.4 膜分離法

如果應(yīng)用膜分離法對揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行處理，那么受到高分子膜的影響，含有多種不同氣體成分的混合氣體就會(huì)被逐步地溶解而擴(kuò)散。這也是化學(xué)領(lǐng)域中對氣體進(jìn)行分離提純的主要原理，其原理如圖2所示。例如，蒸汽滲透，其實(shí)就是利用高分子膜，直接對有機(jī)物蒸汽進(jìn)行分離。與其他治理技術(shù)相比，膜分離法的應(yīng)用優(yōu)勢是操作難度偏低、對環(huán)境的污染程度偏小，而且可以對揮發(fā)性有機(jī)氣體進(jìn)行高效回收。但是，高分子膜的反復(fù)使用與更換會(huì)產(chǎn)生較高成本。所以，研究人員一直在研究如何才能生產(chǎn)出具有較強(qiáng)耐受性的高分子膜。

圖2 膜分離法的應(yīng)用原理

3.5 生物處理法

微生物具有一定的吸收處理作用，利用微生物的這一特性，可以對揮發(fā)性有機(jī)物中的某些物質(zhì)進(jìn)行分離和提純，這就是生物處理法的應(yīng)用原理，如圖3所示。與其他治理技術(shù)相比，這種治理技術(shù)的應(yīng)用具有較強(qiáng)的可操作性，且不容易出現(xiàn)二次污染問題。但是，由于微生物對于生存環(huán)境具有較高的敏感性，所以研究人員一直致力于提高治理過程的實(shí)用性。另外，填料和菌種對于生物處理法的應(yīng)用效果與應(yīng)用質(zhì)量有著直接影響。所以，找到適合的、處理能力強(qiáng)的填料或菌種，也是研究人員一直努力的方向。

圖3 生物處理法的應(yīng)用原理

3.6 低溫等離子法

如果揮發(fā)性有機(jī)物的處理任務(wù)比較多，那么還可以利用低溫等離子法進(jìn)行處理。只是在應(yīng)用這種處理方法時(shí)，要重點(diǎn)考慮吸附性能、等離子體介電常數(shù)等因素，并且這種治理方法的應(yīng)用過程，還會(huì)受到污染物氣體中雜質(zhì)的影響。

近年來，隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，研究人員已經(jīng)找出了限定和控制各種反應(yīng)環(huán)境、反應(yīng)條件的方法。所以，低溫等離子法的應(yīng)用范圍與應(yīng)用準(zhǔn)確度得到了明顯提高。需要注意的是，要加強(qiáng)對低溫等離子法的應(yīng)用，研究人員還需要繼續(xù)尋找性能更加穩(wěn)定、吸附能力更強(qiáng)的催化劑，需要繼續(xù)研究并生產(chǎn)出功能更加完善的反應(yīng)設(shè)備[5]。只有這樣，才能夠?qū)⒌蜏氐入x子法的應(yīng)用優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，從而保證揮發(fā)性有機(jī)物的治理效果。

3.7 光催化降解法

利用光能和催化劑也可以對揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行治理，通過化學(xué)反應(yīng)徹底去除揮發(fā)性有機(jī)物。圖4為光催化降解法的應(yīng)用原理。需要注意的是，光催化降解法的應(yīng)用需要滿足兩個(gè)條件，第一是要有足夠的光能，可以在適合的溫度和濕度環(huán)境中進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。第二是要正確選擇催化劑，確保催化劑在化學(xué)反應(yīng)過程中具有較高的催化活性。與其他治理技術(shù)相比，應(yīng)用光催化降解法可以在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模揮發(fā)性有機(jī)物的處理。但是最終的治理效果卻容易受到催化劑的種類、外界環(huán)境溫度、濕度、光照條件等因素的影響。如果加強(qiáng)對這些因素的控制，保證最終的揮發(fā)性有機(jī)物處理效果，就會(huì)產(chǎn)生較高的成本。近年來，研究人員針對這種治理技術(shù)的研究，一直集中在維持催化劑的催化活性，提高紫外光源照射速度等方面。

圖4 光催化降解法的應(yīng)用原理

3.8 高溫焚燒技術(shù)

在高溫條件下，也可以對揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行氧化分解，達(dá)到治理目的。只是，這種治理技術(shù)針對的是濃度較高、成分復(fù)雜的揮發(fā)性有機(jī)物，例如噴漆、包裝材料、絕緣材料等。與其他治理技術(shù)相比，高溫焚燒技術(shù)的應(yīng)用最簡單，而且運(yùn)行過程也比較穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生大量的能量消耗。直接焚燒法、多孔介質(zhì)焚燒法都是目前我國最常用的高溫焚燒處理技術(shù)。

3.9 催化燃燒技術(shù)

對揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行預(yù)熱，直至使其達(dá)到可燃燒溫度，再加上催化劑，就可以對揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行氧化分解，這就是催化燃燒技術(shù)的應(yīng)用原理。這種治理技術(shù)的應(yīng)用，同樣需要使用催化劑，例如貴金屬催化劑、非貴金屬氧化物催化劑和復(fù)合物催化劑等。與其他治理技術(shù)相比，這種治理技術(shù)的能耗更低、安全系數(shù)更高、操作過程更便捷[6]，并且催化劑還可以重復(fù)使用，因而治理成本更低。但是，要想將催化燃燒技術(shù)的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，工作人員還需要對工藝條件提出嚴(yán)格的要求，以確保廢氣中沒有損害催化劑壽命的物質(zhì)。

4 結(jié)語

綜上所述，對大氣環(huán)境中的揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行治理，是我國迫在眉睫的一項(xiàng)工作。但是，不同的揮發(fā)性有機(jī)物治理技術(shù)具有不同的優(yōu)勢和劣勢。只有根據(jù)實(shí)際情況，在綜合考慮揮發(fā)性有機(jī)物成分、治理要求、治理成本等因素的基礎(chǔ)上選擇合適的治理技術(shù)，并加強(qiáng)治理工藝的控制，才能夠?qū)⑾鄳?yīng)的技術(shù)優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，徹底改善我國大氣環(huán)境質(zhì)量。