VOC净化研究进展

张红阳 李林威 聂蓉蓉 张鹏锡 荣俊锋

摘要：挥发性有机物（VOC），是目前废气治理领域的难点，本文综述了VOC净化方法：燃烧法，光催化氧化法，低温等离子体技术，超声波解析技术，吸附法，吸收法，冷凝法，膜分离法，生物法，重点介绍了旋转超重力法，并对未来发展趋势进行了展望。

关键词：挥发性有机物，等离子体，旋转超重力

一、VOCs的净化方法：

1.燃烧法

燃烧法是将喷漆废气中的有机物燃烧氧化，转换成CO2和H2O无害物质达到废气净化目的。燃烧法可分为直接燃烧法、热力燃烧法、催化燃烧法、蓄热燃烧法等类型。

（1）直接燃烧法高浓度可燃有机废气宜采用直接燃烧法。直接燃烧法需要足够高温度，并保证燃烧空间内拥有足够氧气。若氧气量不足则燃烧不完全;若氧气量过多，会使可燃物浓度不在着火界限范围内导致不完全燃烧。为防止气体爆炸，一般在锅炉或敞开的燃烧器中燃烧废气，燃烧温度大于1100℃;但当燃烧不完全时，会导致一些污染物和烟尘排放到大气中，同时燃烧的热能无法回收，

造成燃料能量损失。

（2）热力燃烧法―低浓度可燃有机废气可采用热力燃烧法处理。浓度低可燃性物质导致在燃烧过程中不足以释放支持整个燃烧过程所需的能量，因此需加辅助燃料作为助燃气体，通过燃烧助燃气体提高热量，使废气达到反应温度并充分燃烧。热力燃烧法温度一般在500～900℃范围内，低于直接燃烧法温度。

（3）催化燃烧法―催化燃烧法被视为处理VOCs的一种高效技术，在催化剂作用下VOCs可在较低温度下（通常为200～400℃）氧化生成无污染的CO2和H2O。催化燃烧法无二次污染，工艺操作简单，安全性高，起燃温度低;但催化剂性能优劣决定VOCs净化效果，因此高性能催化剂选择和研究开发是高效新型催化燃烧法的核心问题。处理高浓度、小风量有机废气可采用催化燃烧法，但喷漆废气风量大、VOCs浓度一般低于300mg/m3，不太适合处理喷漆废气。

（4）蓄热燃烧法当有机废气浓度不高时，常规的热力燃烧和催化燃烧不足以维持自燃，需要额外补充大量热能，因此宜采用蓄热燃烧。蓄热燃烧技术优势在于净化效率高、无二次污染，同时实现能量回收，节约燃料，具有良好应用前景。

在众多的挥发性有机物治理技术当中，燃烧法是最为常见且应用最为广泛的技术之一，它主要由催化燃烧和直接燃烧两种方法组合构成。其工作的原理为：利用催化燃烧和直接燃烧时产生的化学反应对大气中的挥发性有机物进行破坏和摧毁，然后使其产生反应，降低大气中有机物的含量，也使得其危害性得到控制。这种方法对于低浓度的挥发性有机物处理效果较好，但燃烧法需要在特定的条件下才能进行，这也就使得它的治理成本较高，在未来还需对其进行优化和改进。

2.光催化氧化法

光催化氧化法主要是利用特定波长的光（通常为紫外光）照射光催化剂，激发出“电子–空穴”对，产生具有极強氧化能力的自由基活性物质，将吸附在催化剂表面上的VOCs氧化成为CO2和H2O等无毒无害物质。光催化氧化技术反应条件温和、设备简单，但存在光子效率低、催化剂易失活等缺点。

3.低温等离子体技术

低温等离子体技术是近年来发展起来的废气治理新技术。等离子体中存在大量电子、离子、活性基和激发态分子等有极高化学活性的粒子，使很多需要很高活化能的化学反应能够发生，转化或分解有机物。低温等离子体技术适用于低浓度VOCs净化，具有装置简单、阻力低等优点。在工业VOCs净化过程中，存在能耗高、降解产物不完全等缺点。

4.超声波解析技术

超声波解析技术主要是采用超声波发射过程中所产生的热量来对大气中的挥发性有机物进行治理，同时，这种热量还可以增加吸附剂的吸附能力，使得治理的效果达到最大化。经过科研人员无数次的研究和实验表明，超声波解析技术针对活性炭等污染物能够发挥最大的效果。其治理的速度相对较快，同时还具有治理成本较低等一系列优点。在实际的挥发性有机物的治理过程中，超声波解析技术也可以看做是传统的吸附技术与焚烧技术相结合的技术，但其治理效果又远远高于二者中任意一项治理技术。

二、未来发展趋势：

VOCs处理技术正逐渐由单一化向集成化和高新化转型，各种VOCs治理技术都有各自的适用性和局限性。以上的诸多方法中不乏净化效率高的方法，但这仅仅停留在实验室阶段。

就工业化技术推广而言，燃烧法和超重力场技术是性价比较好的方法。燃烧法应用面广，但仪器设备不够灵活，就未来具有更广的产品推广意义而言，笔者认为超重力场技术凭借其灵活、能耗低等符合国家节能环保的政策更具优势。旋转超重力场高效除尘器由转子、转轴、液体分布器、气体分布器和外机壳组成。 转子上布置填料，由电动机和转轴带动高速旋转，利用旋转产生的离心力产生稳定可调的超重力场，强化传质和混合过程。含尘气体和液体分别通过气体分布器和液体分布器切向进入。 含尘气体进入超重力场后，其运动方向改变为旋转方向和径向方向， 一部分颗粒物在巨大的离心力作用下，向机壳内壁运动，被机壳内壁上的液膜捕集，从气相脱除; 另一部分颗粒物会随气流穿越高速旋转的填料转子，同时液体被喷洒在转子上，在巨大剪切力的作用下，被切割成液滴、液丝、液膜等微元，这些微元 存在极大的气液接触面积，能有效捕捉穿过的气流中含有的粉尘颗粒，达到除尘的目的。 所以，旋转超重力场高效除尘器是一种集惯性碰撞、正面拦截、离心沉降、机械旋转碰撞和水膜捕集机制于一体的新型除尘技术。

旋转超重力场技术可代替传统湿法除尘水洗塔，缩小其体积，显著提高除尘效率;适用于高温、高湿、高含尘、易结块含尘废气净化处理;可适用于振动较大的环境。

参考文献

[1]刘毅，俞颖，宋锴，万子超，陆思华，于雪娜，曾立民，郭松.德州市冬季大气挥发性有机物污染特征及其对臭氧和二次有机气溶胶生成的贡献[J/OL].南京信息工程大学学报（自然科学版）

[2]高素莲，侯鲁健，闫学军，刘光辉，夏志勇，王琛.济南市夏季臭氧重污染时段VOCs污染特征及来源解析[J/OL].生态环境学报

作者简介：荣俊锋（1987-），男，硕士，实验师，从事有机废水处理，可降解材料研究工作。

基金项目：2020年国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：202010361078）。2020年国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：202010361079）。