低溫等離子光觸媒催化處理VOC廢氣研究與應(yīng)用
近年來，隨著空氣污染的加重，國內(nèi)外關(guān)于VOC排放的法律法規(guī)也越發(fā)嚴(yán)格，但由于治理費(fèi)用高、行政監(jiān)管所需的 VOC 排放標(biāo)準(zhǔn)缺失、企業(yè)對 VOC 排放和控制的重視程度不足等各種因素，許多工廠VOC廢氣直接排入大氣，對環(huán)境質(zhì)量造成嚴(yán)重傷害。

一、低溫等離子光觸媒催化在VOC廢氣處理

低溫等離子體技術(shù)處理污染物的原理為在外加電場的作用下，介質(zhì)放電產(chǎn)生的大量高能電子轟擊污染物分子，使其電離、解離和激發(fā);然后引發(fā)一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)，使復(fù)雜大分子污染物轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵涡》肿影踩镔|(zhì)，或使有毒有害物質(zhì)轉(zhuǎn)變成無毒無害或低毒低害物質(zhì)，從而使污染物得以降解去除。低溫等離子體技術(shù)對大氣量、低濃度的污染氣體有較高的處理效率，是性價(jià)比非常高的有效處理技術(shù)。

該方法具有效率高、成本低、設(shè)備適應(yīng)性強(qiáng)、占地面積小、便于操作控制、開停方便、與噴漆工藝同步、可根據(jù)污染物源強(qiáng)和排放要求進(jìn)行升級等優(yōu)點(diǎn)。作為環(huán)境污染處理領(lǐng)域中的一項(xiàng)具有極強(qiáng)潛在優(yōu)勢的高新技術(shù)，等離子體受到了國內(nèi)外相關(guān)學(xué)科界的高度關(guān)注。

單一等離子體處理有機(jī)廢氣效率較高且副產(chǎn)物較少，不會造成二次污染，但其較高的能耗和較低的能量效率是目前需要攻克的難題，等離子復(fù)合光催化可以彌補(bǔ)其缺點(diǎn)。等離子體催化劑選用TiO2，其為寬禁帶(Eg=3.2eV)半導(dǎo)體化合物，只有波長較短的太陽光才能被吸收，激發(fā)其活性，所以設(shè)計(jì)反應(yīng)裝置的時(shí)候需要添加紫外光源。

二、低溫等離子光觸媒催化在VOC技術(shù)分析

1、吸附技術(shù)

吸附技術(shù)是利用有較大比表面積的固體吸附劑將廢氣中的VOC捕獲，從而使有害成分從氣體中分離出來，當(dāng)吸附達(dá)到飽和后采用水蒸氣或熱風(fēng)等作為脫附劑，將吸附劑表面的VOC 脫附并加以回收。

2、冷凝技術(shù)

冷凝技術(shù)是利用氣態(tài)污染物具有不同的飽和蒸氣壓，通過降低溫度或加大壓力，使 VOC 冷凝成液滴 而從氣體中分離出來，借助不同的冷凝溫度實(shí)現(xiàn)污染 物的逐步分離。

3、膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)利用不同氣體分子通過高分子膜的 溶解擴(kuò)散速度不同，在一定壓力下實(shí)現(xiàn)分離目的。膜兩側(cè)氣體的分壓差是膜分離的驅(qū)動力，可通過壓縮進(jìn) 氣或在膜滲透側(cè)用真空泵來實(shí)現(xiàn)，因此，膜分離過程 常常與冷凝或壓縮過程集成。

4、燃燒治理技術(shù)和催化燃燒技術(shù)

直接燃燒技術(shù)根據(jù)熱量的回收方式，可分為直接焚燒法和蓄熱焚燒法。直接焚燒法即將有機(jī)廢氣加熱到一定溫度下( 800℃左右)，使其完全氧化分解，生成 CO2和 H2O 等。蓄熱焚燒法即將燃燒尾氣中的熱量蓄積，用于加熱待處理廢氣，節(jié)能 效果明顯，此方法的去除效率可達(dá)99% 以上，但燃 燒不完全時(shí)容易產(chǎn)生氮氧化物，造成二次污染，該法適用于汽車、家電等烤漆行業(yè)高溫和高濃度的有機(jī)廢氣治理。

催化燃燒技術(shù)通過在燃燒系統(tǒng)中添加催化劑，使可燃性的VOC在催化劑表面發(fā)生非均相氧化反應(yīng)，于300～500 ℃左右將VOC 催化氧化分解為 CO2 和 H2O 等。催化燃燒較熱力焚燒溫度低，可以顯著降低設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用，但當(dāng)廢氣中含有能夠引起催化劑中毒的硫、鹵素有機(jī)化合物時(shí)，不宜采用催化燃燒法

5、光觸媒催化降解技術(shù)

納米TiO2光觸媒催化降解具有納米半導(dǎo)體粒子的量子尺寸效應(yīng)使其導(dǎo)帶和價(jià)帶能級變?yōu)槿芗?，能隙變寬，?dǎo)帶變負(fù)，而價(jià)帶寬變得更正，即在光觸媒催化作用下具有很強(qiáng)的氧化還原能力，從而提高了其光觸媒催化活性。

波長較短的紫外線其光子能量最強(qiáng)，當(dāng)環(huán)境中的紫外光能量等級比大多數(shù)廢氣物質(zhì)的分子結(jié)合能強(qiáng)時(shí)，可將污染物分子鍵裂解為呈游離狀態(tài)的離子，且波長在200nm以下的短波長紫外線能分解O2分子，生成臭氧O3(經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，選用波長185nm)。

呈游離狀態(tài)的污染物離子極易與O3產(chǎn)生氧化反應(yīng)，生成簡單、低害或無害的物質(zhì)，如 CO2、H2O 等，以達(dá)到廢氣凈化處理的目的。用紫外光解方式獲得的臭氧，因獲得復(fù)合離子光子的能量后，能極為迅速地分解，分解后產(chǎn)生氧化性更強(qiáng)的自由基O、OH和H2O。

自由基 O、OH 和 H2O 與惡臭氣體發(fā)生一系列協(xié)同、連鎖反應(yīng)，惡臭氣體最終被氧化降解為低分子物質(zhì)、CO2 和 H2O，而達(dá)到最終的除臭目的。研究過程中，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)當(dāng)惡臭氣體的相對分子質(zhì)量越大時(shí)，紫外光解氧化效果就越明顯。在特種能量等級的紫外線作用下，大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)都能得到高效分解。

6生物降解技術(shù)

生物降解技術(shù)即將含VOC的廢氣經(jīng)傳質(zhì)過程，進(jìn)入微生物懸液或生物膜中，在好氧條件下利用高效降解菌種將廢氣中的 VOC降解為 CO2 和 H2O 等。生物法凈化VOC 廢氣的關(guān)鍵在于微生物的馴化及高效降解菌的培養(yǎng)。

目前研究出的生物菌種對有機(jī)物的消化具有很強(qiáng)的專一性，只能處理包括醇類、醛類、酮類、酯類、單環(huán)芳烴以及氨和硫化氫等單組分且易生物降解的有機(jī)化合物，其對單一 VOC 去除能力的大小順序?yàn)椋捍?、醛、酮等含氧烴類 > BTEX 等單環(huán)芳香烴 >鹵代烴，對單組分單環(huán)芳烴去除能力的大小順序?yàn)椋杭妆?> 苯 > 乙苯或二甲苯 > 氯苯或二氯苯。在處理混合組分的 VOC 時(shí)，由于各組分間存在的競爭和抑制作用會出現(xiàn)降解歧視現(xiàn)象，因此，生物法治理有機(jī)廢氣的普適性較差。

7、低溫等離子體凈化技術(shù)

低溫等離子體高能態(tài)的粒子構(gòu)成低溫等離子體高能態(tài)的粒子構(gòu)成。低溫等離子體降解VOCs原理在外電場的作用下，介質(zhì)放電產(chǎn)生的大量攜能電子轟擊 VOC 分子，使其電離解離和激發(fā)、引發(fā)系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，使復(fù)雜的大相對分子質(zhì)量的有機(jī)廢氣降解為簡單的小相對分子質(zhì)量物質(zhì)，或是有毒有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無毒無害或低害的物質(zhì)，從而使VOC降解去除。攜能電子的平均能量約10eV，適當(dāng)控制反應(yīng)條件可實(shí)現(xiàn)一般難以實(shí)現(xiàn)或速度很快的化學(xué)反應(yīng)。

三、光觸媒催化VOC處理方法的優(yōu)劣

低溫等離子體光催化協(xié)同技術(shù)具有其他凈化技術(shù)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，低溫等離子體法處理 VOC 的技術(shù)與傳統(tǒng)方法相比具有很多優(yōu)點(diǎn)：一是，可在常溫常壓下操作;二是，有機(jī)化合物最終的產(chǎn)物為 CO2，CO，H2O。若有機(jī)物是氯代物，則產(chǎn)物中還應(yīng)加上氯化物，而無中間產(chǎn)物降低了，有機(jī)物的毒性，同時(shí)避免了其他方法中的后期處理問題;三是，運(yùn)行費(fèi)用低;四是;VOC的去除率高，對 VOC的適應(yīng)性運(yùn)行管理比較方便。

針對工業(yè)上氣量大，濃度低，且污染物大都無回收價(jià)值的制造行業(yè)有機(jī)廢氣 VOC，需要有一種更有效、徹底、操作更簡便的處理方法，最大限度地減少運(yùn)行條件的限制，低溫等離子體法的出現(xiàn)正是為了順應(yīng)這種要求，并越來越受到國內(nèi)外的重視。隨著研究的不斷深入，低溫等離子體光催化法必將向著規(guī)?；较虬l(fā)展。

結(jié)束語：綜上所述，隨著新材料和新技術(shù)的逐步應(yīng)用，新型治理技術(shù)將更加成熟，但其投入一般較高，在中小企業(yè)較多中受到限制。因此，高效率、低成本、低能耗的治理技術(shù)是下階段發(fā)展的重點(diǎn)。