挥发性有机物治理技术研究进展

李柏志

(葫芦岛市核与辐射安全监督监测中心，辽宁 葫芦岛 125000)

挥发性有机物(Volatile Organic Compounds，VOCs)是多种物质的总称，一般认为是指沸点在50℃至260℃之间、室温下饱和蒸气压超过133.32Pa，常温下以蒸汽形式存在的一类有机物。主要包括非甲烷总烃(烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃)、含氧有机化合物(醛、酮、醇、酯、醚等)、卤代烃、含氮有机物、含硫有机物等。

VOCs的危害主要体现在大多数VOCs具有生物毒性，部分VOCs有致癌、致突变、致畸作用(如苯、多环芳烃、甲醛等)；同时VOCs能够参与大气光化学反应，对气溶胶中有机组分具有显著的贡献，是PM2.5的重要前体物之一，是雾霾、光化学烟雾的主要形成原因之一。

1 VOCs的人为来源

1.1 工业源

工业活动产生的挥发性有机物(VOCs)排放排放强度大、浓度高、种类多，是VOCs的最主要来源。其中VOCs排放最多的行业主要有包装印刷、炼油与石化、装备制造业涂装、化学化工、半导体及电子设备制造、医药化工、塑料/橡胶制品生产、人造革、人造板、服装干洗等。2015年10月开始执行的《挥发性有机物排污试点办法》确定石油化工行业和包装印刷行业为试点行业开始征收排污费。

1.2 生活源

近年来，随着装潢业的发展，室内空气污染问题更多的关注。虽然建材释放的VOCs量相对于工业源低很多，但是由于室内的相对密闭性，扩散条件较差，与人体接触时间长，产生的健康危害甚至很大。

2 VOCs控制技术

VOCs的控制技术主要分为回收技术和分解技术。回收技术适用于有回收价值或较易回收的VOCs，是通过升降环境温度、增减压力等物理特征，或采用选择性吸附剂和选择性渗透膜等物理化学方法在不改变VOCs物质的情况下回收有机物的技术，主要有吸附技术、低温冷凝技术及膜分离技术等。分解技术是通过化学反应，将VOCs转变成为CO2和H2O等无毒害小分子化合物的方法，主要有直接燃烧和催化燃烧、生物氧化、低温等离子体破坏和光催化氧化技术等。

2.1 回收技术

2.1.1 低温冷凝技术

低温冷凝技术是通过采用降低系统温度或提高系统压力，使处于蒸气状态的污染物变为液相从废气中分离的方法，适用于高浓度的有机溶剂蒸气的净化。但完全依赖冷凝法去除有机废气耗能较高，处理污染物含量较低的废气经济性较差。所以一般在有机废气治理中，通常采用冷凝和其他工艺联用的方式，首先用常温水或低温水对高浓度的废气首先进行冷凝回收，冷凝后的尾气再通过吸附等方式回收或焚烧生物等方式分解去除。这种综合了经济性和系统负荷的工艺组合具有较好的适用性。

2.1.2 吸附技术

吸附技术是指利用不同固相吸附剂对不同气态物质中吸附能力不同的原理分离气体混合物的方法。被吸附物体在通过填满吸附剂的固定容器后被吸附剂捕获并富集，再通过解析回收被吸附物。该方法主要适用于低浓度气态污染物的净化。吸附技术是适应性最强、应用最为广泛的VOCs治理技术。现阶段吸附设备和工艺已基本成熟定型，吸附性能的优劣主要取决于吸附剂的性能。

目前常用吸附剂有活性炭、分子筛、硅胶等。其中活性炭是最为常用的吸附剂，适用于大部分污染物的吸附净化。形态上主要有颗粒、蜂窝状纤维状三种。蜂窝状活性炭床层空气动力学性能较好，适用于低浓度、大风量有机废气的治理。活性炭纤维表面积更大，具有吸收效率高、脱附简单的优点，主要应用于液相溶剂回收。活性炭再生过程简单，一般采用高温水蒸气为再生剂。分子筛吸在污染物治理中得到了越来越多的应用。分子筛的吸附性能较活性炭低，但热气流再生时安全性较好。颗粒硅胶是一种大孔吸附剂，吸附容量很高，吸附热值低，适用于高浓度有机物的吸附目前在高浓度油气回收领域应用较多。

2.1.3 膜分离技术

膜分离技术是利用膜的选择透过性使VOCs得以分离出来的方法[19]。膜分离技术最早用于汽油回收，之后逐渐用于石化工业中的芳香族化合物、氯等分离回收。膜分离技术较适用于高浓度VOCs处理，膜分离回收技术回收效率最高可达到90%，适用于低沸点难处理VOCs。

2.2 分解技术

2.2.1 燃烧技术

燃烧法是利用绝大部分VOCs可以燃烧的特性，使废气变成无机小分子，这种方法包括直接高温燃烧和催化燃烧。直接燃烧的过程中，一般需将反应炉内温度控制在1100℃以上，确保VOCs的去除率95%以上，同时避免二噁英类物质合成。维持较高温度需要较高的耗能，学者研究发现，合适的催化剂的存在可以使VOCs在较低的温度即达到较高的去除率，这种燃烧方法称作催化燃烧法。当催化剂使用铂、钯等贵金属时，一般250℃～500℃条件下，VOCs即能达到较好的去除效果。但废气的实际组成非常复杂，其中粉尘、硫化合物、氮化合物会造成催化剂中毒，使催化剂降低甚至丧失催化性能。

2.2.2 生物技术

生物法是利用以自然界的生物作用为基础，经过人工培养选育优势种群，通过生化作用去除污染物的一类方法。近年来逐步被应用于有机污染物的治理领域。生物法具有设备简单，投资及运行费用低，无二次污染等优点，但同时具有降解速率低的问题，一般认为在低浓度有机废气时有较好的应用。高效菌种的研究和生物附着填料的开发是其主要的开发方向。

2.2.3 光催化技术

光催化技术是催化氧化的一种，是指光催化剂将接触的VOCs氧化成CO2和H2O的一类方法。光催化氧化过程反应速率慢、光子效率低是其主要问题，研究表明，净化速率于催化剂的性能和光源的性能有关。目前研究最多的催化剂为TiO2。在紫外光源下具有较好的催化效果(如185、254、365nm)但值得注意的是，反应条件控制不当的情况下，对VOCs的光催化氧化反应会产生醛、酮、酸和酯等二次污染物。光催化氧化技术对低浓度的VOCs处理较为有效。受限于光催化剂的催化速率问题，该方法主要停留在实验室阶段。

2.2.4 低温等离子体净化技术

低温等离子体净化技术是利用高压脉冲放电在常温常压下获得高能电子、离子和自由基等活性粒子与污染物分子碰撞结合，使其处于激发态，当其获得能量大于化学键能量时，使化学键断裂，从而转化为CO2、H2O、SO2等无害或低害物质，从而使废气得到净化的方法。不同的化学键打开需要的能量各不相同，能量不足时，大分子化合物形成小分子化合物，反而有可能形成危害更大的化合物。恶臭气体主要由硫化物造成，研究表明C-S和S-H化学键键能较低，低温等离子体技术对于臭味的净化具有较好的效果。同时实验发现，低温等离子体技术对于苯系物的净化效果也较好，在适宜条件下，对甲苯的净化效率可达60%～70%。等离子体技术具有动力消耗低、经济性好、结构简单无需预处理等优势，但是其作用机制的研究还不够透彻，对于化学键能较高的化合物净化效率较低，开发高能等离子体，提高系统效率是目前的主要研究方向。总的来说，低温等离子体技术具有非常广阔的前景。

3 结论

VOCs的种类繁多，化学性质有很大差别，在选择治理技术时，要根据污染物特征，综合技术性和综合性选择适宜的治理技术。技术层面主要考虑废气性质，如VOCs的组分、温度压力等，排放要求等；在经济性上主要考虑初始投资、运行费用和折旧等。

一般认为体积分数高于1%的VOCs为高浓度有机废气，如有机废气具有回收价值，建议进行有机物的回收。实际中通常首先采用冷凝(冷冻)技术回收废气中的有机物，再通过焚烧等技术进一步分解去除残留。对于体积分数低于0.1%的VOCs，通常采用吸附浓缩技术、生物技术、低温等离子体技术、吸收技术等直接去除。

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