揮發性有機物治理技術研究進展及工藝對比分析

潘子亮 張麗 鄭毅

1 青島市人力資源集團有限公司 2 青島市環境保護科學研究設計有限公司

揮發性有機物是大氣中主要的污染源之一，其主要來源于工業生產、交通尾氣、溶劑使用、油漆涂料、化學品、印刷、家居用品和燃燒過程等。其特點為在常溫下易于從液體或固體狀態轉變為氣體，并迅速釋放到空氣中，且大多數揮發性有機物的沸點較低，在室溫下即可蒸發，對空氣質量和生態環境帶來極大威脅。

隨著環境保護意識的增強，各種VOCS治理技術得到了廣泛研究和應用。本文將綜述已有的VOCs 治理技術研究進展，并對其進行對比分析。通過對各種技術的優缺點進行分析，為選擇合適的治理技術提供參考。

1 揮發性有機物治理技術研究進展

揮發性有機物治理技術是用于減少、去除或回收VOCS排放的一系列技術和措施，主要包括吸附技術、燃燒技術、生物技術、膜分離技術等。

1.1 吸附技術

吸附技術是一種常用的揮發性有機物治理技術，通過使用吸附劑將揮發性有機物從氣相吸附到固相上，其主要研究方向及進展集中于吸附劑材料的改進和優化、新型吸附劑的開發和應用、吸附過程的模型化和優化和廢氣處理和空氣凈化。

1.1.1 吸附劑材料的改進和優化

活性炭、碳納米管、石墨烯等碳基材料具有高比表面積和可調控孔結構，能夠提供更大的吸附容量和更好的選擇性；使用由金屬離子或簇與有機配體組成的多孔晶態材料MOFs 材料，其結構可以根據需要進行設計和調整，以提高吸附效率和選擇性；使用二氧化硅、氧化鋁等具有良好的熱穩定性和化學穩定性的活性氧化物，可應用于高溫條件下的吸附。

1.1.2 新型吸附劑的開發和應用

功能化吸附劑的研究主要是通過在吸附劑表面引入功能基團，如羥基、胺基、硫基等，增加與揮發性有機物之間的相互作用力，提高吸附性能；多功能吸附劑的研究則是結合多種吸附機理和材料，如炭基材料與金屬有機框架的復合體、嵌段共聚物納米顆粒等，以實現更高效的揮發性有機物去除。

1.1.3 吸附過程的模型化和優化

吸附動力學模型的優化通過針對不同吸附系統，利用擴散模型、表面反應模型等建立吸附過程的動力學模型，并根據實驗數據進行參數擬合和驗證；吸附過程優化則通過調節工藝條件（如溫度、壓力等）和吸附劑性能（如孔徑分布、表面性質等），優化吸附過程的效率和選擇性。

1.1.4 廢氣處理和空氣凈化

移動廢氣處理指開發小型、高效的吸附裝置，可廣泛應用于汽車尾氣治理、印刷行業和涂裝工藝等移動廢氣處理領域；室內空氣凈化是通過設計低功耗、長壽命的吸附式空氣凈化器，用于去除室內揮發性有機物和異味。

1.2 燃燒技術

燃燒技術是通過將揮發性有機物轉化為無害的水蒸氣和二氧化碳等氣體，在高溫條件下進行完全燃燒，其主要研究方向集中于高效能燃燒設備的設計和改進、低排放和廢熱回收技術、燃燒過程模擬和優化和應用于特定行業及領域。

1.2.1 高效能燃燒設備的設計和改進

采用優化的燃燒器結構和噴嘴設計，實現更好的混合和擴散，提高燃燒效率；使用輔助燃燒技術，如預混燃燒、分級燃燒、旋流燃燒等，有效增加燃燒區域和延長停留時間，提高揮發性有機物的燃燒效率。

1.2.2 低排放和廢熱回收技術

引入選擇性催化還原（SCR）技術、非平衡等離子體（NTP）技術等，降低NOx 的生成和排放。

通過換熱器、蒸汽發生器等設備，將燃燒過程中產生的廢熱轉化為有用能源，提高能量利用效率。

1.2.3 燃燒過程模擬和優化

采用計算流體力學（CFD）模擬等方法進行數值模擬，模擬燃燒器內部的氣流、溫度分布和化學反應過程，優化燃燒參數和設備設計；考慮燃燒、傳熱和質量傳遞等多種物理過程之間的相互作用，進行多物理場耦合，更精確地描述揮發性有機物的燃燒特性。

1.2.4 應用于特定行業及領域

揮發性有機物特殊處理：針對特定行業如印刷、油漆、溶劑制造等，開發適用于不同類型VOCS的燃燒技術，并解決特殊揮發性有機物的處理難題。

動源燃燒治理：研究汽車尾氣中揮發性有機物的燃燒控制策略，包括動力系統改進、催化轉化等技術的應用。

1.3 生物技術

生物技術是指通過微生物對揮發性有機物進行吸附、降解、轉化的技術，其主要研究方向集中于生物吸附技術、生物滴定技術、生物過濾技術、生物催化技術和基因工程技術。

1.3.1 生物吸附技術

利用活性生物質如細菌、真菌或植物來吸附和富集VOCS。生物吸附技術可以通過微生物代謝活動將VOCS轉化為無害的產物，或者將其吸附于生物體表面。目前已經研究開發了多種具有高效吸附性能的生物吸附劑，如活性炭、生物納米材料等。

1.3.2 生物滴定技術

生物滴定技術是利用特定微生物降解有機物的能力，在污染源處或處理系統中注入適當的微生物，使其與VOCS發生生物降解作用。這種技術可以有效地減少VOCS的排放量，但需要根據具體的VOCS種類和環境條件選擇適當的微生物菌株。

1.3.3 生物過濾技術

通過利用生物膜或生物濾料來將VOCS從氣相中吸附、降解或轉化為無害物質。常見的生物過濾材料有植物根系、生物炭、活性污泥等。這些材料可提供大量的微生物附著表面，從而增強VOCS的生物降解效率。

1.3.4 生物催化技術

利用特定酶或細胞代謝途徑來催化VOCS的降解或轉化。例如，利用氧化酶類如過氧化物酶和多酚氧化酶等可以將VOCs氧化為無害產物。

1.3.5 基因工程技術

通過對微生物基因進行改造，增強其對特定VOCs 的降解能力。基因工程技術可以通過引入外源酶基因或優化內源降解途徑來提高微生物對VOCS的降解效率。

1.4 膜分離技術

膜分離技術是指基于膜的選擇透過性，將氣體混合物中的VOCS分離出來的過程，其主要研究方向包括膜材料的選擇和開發、膜模塊和設備的改進、多級膜分離系統、膜表面改性、能源消耗和氣體回收方面的研究。

1.4.1 膜材料的選擇和開發

開發具有高選擇性的膜材料，以實現對特定VOCS的高效分離，如聚酰胺膜、聚硅氧烷膜等。

1.4.2 膜模塊和設備的改進

針對VOCS的物理化學特性和分離需求，對膜模塊和設備進行設計和優化，以提高分離效率和穩定性；通過改變膜組件的結構和通道形狀，優化氣體傳輸和分子擴散過程，提高VOCS的分離性能。

1.4.3 多級膜分離系統

將膜分離技術與其他分離技術（如吸附、吸收）相結合，構建多級膜分離系統，以提高VOCS的回收效率和純度并通過溫度和壓力的協同作用，在多級膜分離中實現更高的分離效果。

1.4.4 膜表面改性

通過對膜表面進行改性，增加膜的抗污染性和抗吸附能力，延長膜使用壽命并提高分離效率；將功能化材料引入膜結構，如石墨烯、金屬有機骨架等，優化膜的分離性能。

1.4.5 能源消耗和氣體回收方面的研究

通過減少膜分離過程中的能量消耗，如優化操作條件、改進循環系統設計等，實現膜分離技術的能耗降低；研究如何有效地從分離后的氣流中回收和再利用VOCS，從而最大限度地減少資源浪費。

2 揮發性有機物治理技術工藝對比分析

不同的揮發性有機物治理技術具有其特點及適用范圍，合理根據實際狀況選擇治理技術，可以有效地提高VOCS的去除效率，降低成本。

2.1 吸附技術

吸附技術主要適用于低濃度的VOCS以及噪音和能源要求較低的環境，包括：空氣凈化，廢氣處理，室內空氣質量改善等。

吸附技術的優點：①高效去除：吸附劑具有高的表面積和親和力，能夠有效吸附大量的VOCS分子。②可再生性：吸附劑可以通過再生過程進行回收利用，減少資源浪費。③適用性廣泛：吸附技術對不同類型的VOCS具有較好的適應性。

吸附技術目前面臨的問題是隨著時間的推移，吸附劑會飽和，需要定期更換或再生；且吸附劑所吸附的VOCS需要進行后續處理，以避免二次污染。

2.2 燃燒技術

燃燒技術主要適用于高濃度的VOCS和需要徹底銷毀有機物的場景。應用范圍主要包括：工業廢氣處理，危險廢棄物處理，揮發性有機物的終端處理等。

燃燒技術的優點：①高效去除：燃燒技術能夠將VOCS完全分解，達到極高的去除效率。②不產生二次污染：燃燒過程中生成的廢氣主要是CO2和H2O，不會產生新的污染物。③適用性廣泛：燃燒技術對不同類型的VOCS都具有較好的適應性。

燃燒技術存在的問題：①高能耗：燃燒過程需要提供高溫和足夠的氧氣，因此能耗較高。②NOX生成：在高溫條件下，可能會生成一些氮氧化物（如NOX），這需要進行進一步處理。

2.3 生物技術

生物技術適用于低濃度的VOCS，對能源消耗要求較低，且對VOCS進行特定降解的場景。應用范圍主要包括：廢水處理，土壤修復，生物濾床等。

生物技術的優點：①環境友好：生物技術可以在相對溫和的條件下實現VOCS的去除，減少能源消耗。②可再生性：微生物可通過培養和再生來實現反復使用。③適用性廣泛：生物技術對不同類型的VOCS具有較好的適應性。

生物技術的問題：①運行條件限制：微生物對溫度、pH 值和抑制物質等條件敏感，運行條件需要嚴格控制。②降解速率較慢：與吸附和燃燒技術相比，生物技術的降解速率較慢。

2.4 膜分離技術

膜分離技術適用于低濃度的VOCS以及對能源要求較低，需要連續操作的場景。主要應用范圍包括：氣體分離，水處理，溶劑回收等。

膜分離技術的優點：①高效去除：膜分離技術能夠高效地將VOCS從氣相中分離出來，具有高效去除能力。②選擇性分離：通過選擇合適的膜材料和操作條件，可以實現對特定VOCS的選擇性分離。③可回收利用：膜分離技術可以將分離后的VOCS進行回收和再利用，減少資源浪費。

膜分離技術的問題：①膜污染問題：長時間運行后，膜面容易受到污染，需要定期清洗或更換膜組件。②能耗較高：一些膜分離過程需要提供一定的壓力差和溫度條件，因此能耗較高。

3 結語

揮發性有機物治理技術的研究進展及工藝對比分析為選擇合適的治理技術提供了重要參考。各種技術在去除效率、能耗、經濟性和環境影響等方面具有不同優劣，應根據實際情況進行選擇。未來的研究方向包括改進技術性能、提高能源利用效率、降低處理成本，以及更加深入地研究VOCs 特性對治理技術的影響。此外，還需要開展更多的實驗研究和工程應用，以驗證不同技術在不同條件下的效果，并進一步改進和優化治理技術。通過持續的研究和創新，可以更好地解決揮發性有機物治理的挑戰，保護環境和人類健康。