揮發(fā)性有機物治理技術(shù)的研究進展及應(yīng)用前景分析

楊智勇

（湖南中璟太禹環(huán)保科技有限公司，湖南 長沙 410007）

引言

本文對揮發(fā)性有機物（VOCs）治理技術(shù)的研究進展進行了綜述，并分析了其應(yīng)用前景。首先，介紹了VOCs的基本概念、分類和主要來源，以及其對環(huán)境和人體健康的影響。然后，綜述了VOCs治理技術(shù)，包括物理方法（吸附、膜分離、冷凝）、化學(xué)方法（氧化、生物、光催化）和綜合應(yīng)用（多重技術(shù)聯(lián)合治理、VOCs治理技術(shù)實際應(yīng)用）。接著，對VOCs治理技術(shù)的研究進展進行了討論，包括技術(shù)優(yōu)化和改良（材料改良、工藝優(yōu)化、能源消耗降低）以及新技術(shù)研發(fā)（催化劑研究和開發(fā)、納米技術(shù)應(yīng)用、智能監(jiān)測與控制技術(shù)）。最后，通過分析國內(nèi)外政策和法規(guī)對VOCs治理的影響、市場需求和商業(yè)機會、技術(shù)可行性和經(jīng)濟可行性，以及對社會效益和環(huán)境效益的評估，對VOCs治理技術(shù)的應(yīng)用前景進行了評估和分析。

1 揮發(fā)性有機物（VOCs）的基本概念和來源

揮發(fā)性有機物是指在常溫下具有較高蒸汽壓的有機化合物，這些化合物能夠迅速從液體或固體表面轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，并進入大氣中。VOCs主要來源于工業(yè)生產(chǎn)、日常生活和交通運輸?shù)阮I(lǐng)域，并且存在于各種廢棄物的處理過程中。

1.1 VOCs的定義和分類

我國的標(biāo)準(zhǔn)主要基于能否參與光化學(xué)反應(yīng)來定性揮發(fā)性有機物，根據(jù)《揮發(fā)性有機物無組織排放控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 37822—2019）中的定義，揮發(fā)性有機物（VOCs）指參與大氣光化學(xué)反應(yīng)的有機化合物，或者根據(jù)有關(guān)規(guī)定確定的有機化合物。根據(jù)不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，VOCs可分為烷類、酮類、醛類、苯類等多種類型[1]。

1.2 VOCs的主要來源

VOCs的主要來源為工業(yè)生產(chǎn)過程中有機溶劑的使用、包括油漆、膠水、清潔劑、印刷品和化妝品等，此外，汽車尾氣也是城市地區(qū)VOCs的重要來源。

1.3 VOCs對環(huán)境和人體健康的影響

VOCs排放會對環(huán)境和人體健康造成一定影響。首先，VOCs是典型的大氣污染物之一，它們參與大氣化學(xué)反應(yīng)并生成臭氧和細(xì)顆粒物，對空氣質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，VOCs還會通過大氣傳輸進入土壤和水體，對自然生態(tài)系統(tǒng)造成損害。其次，長期接觸高濃度VOCs的人群可能會受到多種健康問題的影響。VOCs可引發(fā)呼吸道疾病、頭痛、惡心、眼睛刺激和皮膚過敏等癥狀，并且某些VOCs還具有致癌潛能。特別是在密閉環(huán)境下，如室內(nèi)空氣中的VOCs濃度較高時，人體容易出現(xiàn)健康問題。

2 VOCs治理技術(shù)綜述

揮發(fā)性有機物（VOCs）是一類在常溫下易揮發(fā)的有機化合物，廣泛存在于工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸和室內(nèi)環(huán)境等領(lǐng)域。由于其對人體健康和環(huán)境造成潛在危害，對VOCs進行治理成為當(dāng)前環(huán)保領(lǐng)域的重要任務(wù)。

2.1 物理方法

2.1.1 吸附技術(shù)

吸附技術(shù)是一種將VOCs吸附到固體吸附劑上，并通過再生來實現(xiàn)治理的方法。常見的吸附劑包括活性炭、分子篩和納米材料等。該技術(shù)具有操作簡便等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)尾氣處理和室內(nèi)空氣凈化等領(lǐng)域[2]。

2.1.2 膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)基于VOCs對不同材料的透過性差異，通過薄膜將VOCs與其他成分分離，常用的膜材料包括聚合物、陶瓷和金屬等。該技術(shù)具有高效、節(jié)能、環(huán)保等特點，在化工廢氣處理和水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.1.3 冷凝技術(shù)

冷凝技術(shù)利用VOCs在低溫下變?yōu)橐后w的特性，通過冷凝將其轉(zhuǎn)化為液態(tài)并收集處理。該技術(shù)適用于高濃度VOCs的治理，并且能夠?qū)崿F(xiàn)VOCs的回收再利用。然而，冷凝技術(shù)對能源消耗較大，需要進一步優(yōu)化以提高其治理效率。

2.2 化學(xué)方法

2.2.1 氧化技術(shù)

氧化技術(shù)主要包括燃燒法，該法利用高溫下VOCs可以燃燒分解生成無害或低害物質(zhì)的特點來去除VOCs。其中，常用的燃燒方法有蓄熱燃燒（RTO）、催化燃燒（CO）。RTO通過高溫燃燒分解廢氣中的有機物，并生成CO2和水。由于高溫處理的特性，RTO對于處理高濃度的有機廢氣有較好效果，但燃料消耗相對較大。CO采用催化劑降低反應(yīng)活化能，在較低溫度下氧化有機物生成CO2和水，運行成本較低，能夠節(jié)約燃料，適用于濃度較低、風(fēng)量較大的廢氣處理，但對于某些難以氧化的廢氣成分可能無法達到理想的處理效果[3]。

2.2.2 生物技術(shù)

生物技術(shù)利用微生物代謝能力將VOCs降解為無害物質(zhì)。該技術(shù)具有環(huán)境友好、能耗低的優(yōu)勢，在室內(nèi)空氣凈化和生物廢氣處理中具有潛在應(yīng)用前景。然而，生物技術(shù)的穩(wěn)定性和操作難度仍是需要解決的問題。

2.2.3 光催化技術(shù)

光催化技術(shù)基于光催化材料對VOCs進行光氧化反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)。該技術(shù)具有無副產(chǎn)物、可重復(fù)使用的特點。

2.3 綜合應(yīng)用

2.3.1 多重技術(shù)聯(lián)合治理

由于VOCs的種類繁多且濃度不同，單一治理技術(shù)往往難以滿足全部要求。因此，多重技術(shù)聯(lián)合治理成為有效的治理方法。通過組合吸附、膜分離、氧化等多種技術(shù)，可以針對不同VOCs特性進行精確治理，提升治理效率和效果。

2.3.2 VOCs治理技術(shù)的實際應(yīng)用

隨著各種VOCs治理技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們對各種VOCs治理技術(shù)效果的認(rèn)知也更加深刻。以前普遍應(yīng)用的光催化、光氧化技術(shù)，目前被認(rèn)為處理效率較低。生態(tài)環(huán)境部《關(guān)于印發(fā)〈重點行業(yè)揮發(fā)性有機物綜合治理方案＞的通知》表述，“在一些地區(qū)，低溫等離子、光催化、光氧化等低效技術(shù)應(yīng)用甚至達80%以上，治污效果差”。2016年湖南省環(huán)境保護廳發(fā)布的《湖南省制造業(yè)（工業(yè)涂裝）VOCs排放量測算技術(shù)指南》（試行）中，固定床活性炭吸附效率為80%。2022年，環(huán)辦綜合函〔2022〕350號《關(guān)于印發(fā)〈主要污染物總量減排核算技術(shù)指南（2022年修訂）＞的通知》明確一次性活性炭吸附VOCs去除率不再生的為15%，集中再生的為30%，集中再生并活化的為50%。去除效率的變化也體現(xiàn)了環(huán)境主管部門對VOCs治理技術(shù)在實際應(yīng)用過程中效果的動態(tài)評估[4]。

3 VOCs治理技術(shù)的研究進展

3.1 技術(shù)優(yōu)化和改良

3.1.1 材料改良

材料在VOCs治理技術(shù)中扮演著至關(guān)重要的角色。通過改良吸附劑、薄膜材料等，可以提高其吸附容量、選擇性和再生性能。近年來，研究人員對活性炭等傳統(tǒng)吸附材料進行了孔隙結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)的調(diào)控，以增強其吸附效果。此外，還開發(fā)了一系列新型吸附材料，如金屬有機框架材料（MOFs）和碳納米管等，它們具有更高的吸附能力和更好的穩(wěn)定性。

3.1.2 工藝優(yōu)化

工藝參數(shù)的優(yōu)化對于提高VOCs治理效率至關(guān)重要。通過調(diào)整操作條件如溫度、壓力、流量等，可以改善吸附、膜分離和氧化等過程的性能。例如，在吸附技術(shù)中，優(yōu)化吸附劑的再生溫度和時間可以提高其再生效率。在膜分離過程中，通過選擇適當(dāng)?shù)哪げ牧虾蛢?yōu)化通量與選擇性之間的平衡，可以實現(xiàn)更高的分離效率。此外，采用先進的控制系統(tǒng)和自動化技術(shù)，可以實現(xiàn)對治理過程的精確控制和監(jiān)測，從而提升整體治理效果。

3.1.3 降低能源消耗

VOCs治理技術(shù)往往伴隨著較大的能源消耗。為了提高治理過程的經(jīng)濟性和可持續(xù)性，研究人員致力于降低能源消耗。這涉及到優(yōu)化設(shè)備設(shè)計和操作方式，改進反應(yīng)器結(jié)構(gòu)以提高能量利用效率。同時，廢熱回收也是一個重要的研究方向，通過有效利用廢熱可以減少外部能源輸入。此外，節(jié)能型催化劑和光催化材料的開發(fā)也被認(rèn)為是降低能源消耗的潛在策略。

3.2 新技術(shù)研發(fā)

3.2.1 催化劑的研究和開發(fā)

催化劑在VOCs氧化和降解過程中起著關(guān)鍵作用。目前，研究人員對催化劑的研究和開發(fā)進行了廣泛探索，并根據(jù)目標(biāo)反應(yīng)和工藝需求，設(shè)計和合成高效的催化劑。他們將實驗室規(guī)模的催化劑制備放大到工業(yè)規(guī)模，并解決放大過程中可能出現(xiàn)的問題；同時，研究催化劑在實際工業(yè)應(yīng)用中的性能表現(xiàn)和優(yōu)化措施。

金屬氧化物和貴金屬催化劑一直是研究的熱點，但近年來非貴金屬催化劑也受到了廣泛關(guān)注。例如，過渡金屬氧化物、有機儲氧材料和金屬有機框架等新型催化劑在VOCs治理中展示出良好的活性和穩(wěn)定性。此外，研究人員還探索了多相催化劑和納米催化劑的應(yīng)用，以期提高催化反應(yīng)的效率和選擇性。

3.2.2 納米技術(shù)在VOCs治理中的應(yīng)用

納米技術(shù)在VOCs治理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。納米材料具有較大的比表面積和豐富的表面反應(yīng)活性，可以提高吸附、催化和分離等過程的效率。對于吸附技術(shù)而言，納米材料能夠提供更多的吸附位點，增加VOCs的吸附容量。在催化技術(shù)方面，納米催化劑展示出更高的活性和選擇性，同時其尺寸效應(yīng)和形貌控制的可調(diào)性，進一步提高了其催化性能。

納米材料在分離技術(shù)方面也具有廣泛的應(yīng)用前景。通過納米材料對VOCs進行分離，可以實現(xiàn)氣體的高效分離和純化，從而滿足各種工業(yè)領(lǐng)域的需求。同時，納米材料還具有較好的穩(wěn)定性和耐候性，能夠在各種惡劣環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能表現(xiàn)，不僅可以提高治理效率，還可以實現(xiàn)更環(huán)保、更高效的治理方案。隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，相信未來會有更多納米材料被應(yīng)用到VOCs治理領(lǐng)域中，為人類創(chuàng)造更加健康、舒適的環(huán)境[5]。

此外，利用納米技術(shù)制備的薄膜材料也被廣泛應(yīng)用于VOCs的分離和富集過程中。

3.2.3 智能監(jiān)測與控制技術(shù)

智能監(jiān)測與控制技術(shù)在VOCs治理中發(fā)揮著重要作用。隨著傳感器、監(jiān)測設(shè)備和數(shù)據(jù)分析方法的不斷發(fā)展，實時監(jiān)測和控制VOCs的排放和濃度變化成為可能。通過使用先進的傳感器技術(shù)，相關(guān)人員可以實時獲取VOCs的濃度和組分信息，從而對治理過程進行精確調(diào)整。智能監(jiān)測技術(shù)是指利用傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)對環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析的技術(shù)，通過數(shù)據(jù)分析和模型建立，我們可以預(yù)測VOCs的排放趨勢，并提前采取措施進行治理。智能監(jiān)測與控制技術(shù)還可以與自動化系統(tǒng)集成，實現(xiàn)對治理設(shè)備和過程的智能化操作和管理，增強治理效果并減少人工干預(yù)。

4 VOCs治理技術(shù)的應(yīng)用前景分析

揮發(fā)性有機物（VOCs）是一類對環(huán)境和人體健康具有潛在危害的化學(xué)物質(zhì)。為了減少VOCs排放對環(huán)境造成的影響，各國都在積極探索和研究VOCs治理技術(shù)，并制定相關(guān)政策和法規(guī)以引導(dǎo)和規(guī)范相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。

4.1 國內(nèi)外政策和法規(guī)對VOCs治理技術(shù)的影響

國內(nèi)外政策和法規(guī)在推動VOCs治理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用方面起到了重要的引導(dǎo)作用。許多國家紛紛出臺了相關(guān)政策和法規(guī)，以限制和減少VOCs的排放。例如，歐盟通過《工業(yè)排放指令》和《溶劑排放指令》等法規(guī)，對工業(yè)企業(yè)的VOCs排放進行嚴(yán)格管控。在中國，政府也加大了對VOCs的治理力度，通過發(fā)布《揮發(fā)性有機物無組織排放控制標(biāo)準(zhǔn)》等文件，對各行業(yè)的VOCs排放進行了限制。這些政策和法規(guī)的實施，為VOCs治理技術(shù)的應(yīng)用提供了有力支持。

4.2 市場需求和商業(yè)機會的影響

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們環(huán)境保護意識的增強，對VOCs治理技術(shù)的需求不斷增長。各行業(yè)對VOCs排放的控制要求越來越高，從而帶動了相關(guān)治理技術(shù)的市場需求。同時，VOCs治理技術(shù)的應(yīng)用也為企業(yè)帶來了商業(yè)機會。許多專業(yè)的環(huán)保治理企業(yè)和技術(shù)服務(wù)機構(gòu)涌現(xiàn)出來，提供各種VOCs治理解決方案和設(shè)備，滿足了市場需求并獲得了良好的經(jīng)濟效益。

4.3 技術(shù)可行性和經(jīng)濟可行性的影響

VOCs治理技術(shù)的應(yīng)用前景還取決于其技術(shù)可行性和經(jīng)濟可行性。吸附、催化燃燒和生物處理等方法在實際治理過程中已經(jīng)取得了一定成效，證明了其技術(shù)可行性。另外，經(jīng)濟可行性是指技術(shù)應(yīng)用所需要的成本與預(yù)期收益之間的比較。通過不斷進行技術(shù)創(chuàng)新和設(shè)備優(yōu)化，VOCs治理技術(shù)的成本逐漸降低，經(jīng)濟可行性得以提高。

4.4 社會效益和環(huán)境效益評估

VOCs治理技術(shù)的應(yīng)用不僅可以減少對環(huán)境的污染，還能改善人們的生活環(huán)境并提升社會福利水平。社會效益方面，VOCs治理技術(shù)的應(yīng)用可以減少空氣污染及有害氣體對人體健康的影響，改善城市空氣質(zhì)量。同時，它也有助于改善工作場所的環(huán)境質(zhì)量，提高員工的健康水平和生產(chǎn)效率。環(huán)境效益方面，VOCs治理技術(shù)的應(yīng)用可以減少大氣污染物的排放，降低溫室氣體的生成量，從而減緩氣候變化的進程。此外，通過有效治理VOCs排放，還能減少水體和土壤污染，保護生態(tài)系統(tǒng)的健康。

5 結(jié)論

揮發(fā)性有機物（VOCs）是對環(huán)境和人類健康造成潛在危害的重要污染源。本文通過綜合分析VOCs治理技術(shù)的研究進展及應(yīng)用前景，得出以下結(jié)論。首先，目前已經(jīng)存在多種VOCs治理技術(shù)，包括物理吸附、化學(xué)氧化、生物處理和膜分離等方法。這些技術(shù)具有不同的特點和適用范圍，相關(guān)人員可以根據(jù)實際情況選擇合適的方法或組合使用，以達到高效治理VOCs的目的。其次，隨著科技發(fā)展和創(chuàng)新的推動，新興的VOCs治理技術(shù)正在不斷涌現(xiàn)，在提高VOCs去除效率和降低能耗方面顯示出巨大潛力。此外，納米材料的應(yīng)用也為VOCs治理技術(shù)的創(chuàng)新提供了新的思路和可能性。然而，目前仍然需要應(yīng)對一些挑戰(zhàn)和問題。不同種類的VOCs，其治理技術(shù)的適用性和效果存在差異，因此相關(guān)人員需要根據(jù)具體情況選擇相應(yīng)的治理方法。同時，傳統(tǒng)的治理技術(shù)在處理高濃度VOCs時存在能耗較高、設(shè)備龐大等問題，需要進一步改進和優(yōu)化。

展望未來，隨著人們環(huán)境保護意識的增強和法規(guī)的不斷完善，對VOCs排放的嚴(yán)格控制將成為必然趨勢。因此，研究和開發(fā)更加高效、低能耗、環(huán)保的VOCs治理技術(shù)是一個迫切的需求。相信在科學(xué)家和工程師們的共同努力下，這一領(lǐng)域?qū)⑷〉酶蟮耐黄坪瓦M展，為改善環(huán)境質(zhì)量和保護人類健康做出更大貢獻。