挥发性有机物处理新技术的研究

刘丽

摘要：挥发性有机物（VOCs）是一种来源广泛、成分复杂且对自然环境和人体健康有严重威胁的物质。现阶段关于挥发性有机物的处理技术，大体可以分为回收、分解两种类型，回收技术又包括低温冷凝回收、吸附回收、膜分离回收等;分解技术则包括燃烧分解、生物分解、光催化分解等。随着相关技术的创新和处理要求的提升，近年来组合式技术得到了推广使用。例如“冷凝+吸收”组合技术、“喷淋洗涤+催化氧化”组合技术等。组合式技术可以将两种及以上技术的应用优势加以整合，从而让挥发性有机物的处理效率更高，处理结果更加彻底。

关键词：挥发性有机物  膜分离技术  光催化技术  低温等离子体净化

中图分类号：X701文献标识码：A          文章编号：1672-3791（2021）12（a）-0000-00

Study on New Technology of Volatile Organic Compounds Treatment

LIU Li

（Shenyang Environmental Technology Assessment Center，Shenyang， Liaoning Province，110141 China）

Abstract： Volatile organic compounds （VOCs） are a wide range of sources， complex components and a serious threat to the natural environment and human health. At present， the treatment technology of volatile organic compounds can be divided into two types： recovery and decomposition. The recovery technology includes low-temperature condensation recovery， adsorption recovery， membrane separation recovery， etc.; the decomposition technology includes combustion decomposition， biological decomposition， photocatalytic decomposition， etc. With the innovation of related technology and the improvement of processing requirements， combined technology has been widely used in recent years. For example， "condensation + absorption" combined technology， "spray washing + catalytic oxidation" combined technology. Combined technology can integrate the application advantages of two or more technologies， so that the treatment efficiency of VOCs is higher and the treatment results are more thorough.

Key Words：Volatile organic compounds; Membrane separation technology; Photocatalytic technology; Low temperature plasma purification

2013年國家环保部发布了《挥发性有机物（VOCs）污染防治技术政策》，分别从源头预防、过程控制、末端治理和综合利用等几个方面，对挥发性有机物的预防及处理技术进行了总结。技术的创新与发展，在进一步提升挥发性有机物处理成效方面起到了关键作用。现有的技术体系基本上可以满足人们对于挥发性有机物处理的要求，但是也存在处理成本较高、处理不够彻底、处理流程繁琐等问题。因此，今后要继续加强挥发性有机物处理新技术的研究，按照先试点、再推广的顺序，将更多新技术、新方法应用到挥发性有机物的处理工作中。

1挥发性有机物的回收技术

1.1低温冷凝回收

将含有挥发性有机物的空气收集起来，置于密闭容器中，通过降低温度的方式，让挥发性有机物从气态变为液态，凝结形成的液珠附着在光滑的容器壁上，在重力作用下汇集到容器下方的收集瓶中，完成回收。低温冷凝回收适用于那些空气中挥发性有机物含量较高的情况，在较为缓和的条件下能够取得理想的回收效果。但是在实际应用中，空气中挥发性有机物的含量较低，因此一般很少单纯地使用低温冷凝技术进行回收[1]。出于对经济性考虑，需要采用吸附等方法进行预处理，将空气中分散的挥发性有机物聚集起来，达到一定浓度后再进行冷凝，效果更加理想。

1.2吸附回收

利用特定的吸附剂可以使空气中飘散的挥发性有机物附着在吸附物上，然后对挥发性有机物进行集中处理。根据组成成分的不同，常用的吸附剂可以分为活性炭吸附剂、硅胶吸附剂等多种类型。使用方法是将多孔状的吸附剂，置于某管道或容器的开口处，在风力作用或压力作用下，让含有挥发性有机物的空气，从吸附剂的一侧通向另一侧。挥发性有机物在通过吸附物时，会附着在上面。一段时间后，吸附剂达到饱和状态，将其替换下来，从而实现了对挥发性有机物的回收。吸附回收技术的优点在于成本较低，且操作简便，适用于空气中挥发性有机物含量较低的情况。另外，纤维状、蜂窝状的吸附剂，表面积更大，吸附效果更佳。

1.3膜分离回收

随着膜技术的成熟，膜分离也成为挥发性有机物回收处理中较为常见的一种技术形式。生物膜具有选择透过性，回收方式与上文的吸附回收类似，将吸附剂替换为生物膜，当含有挥发性有机物的空气经过生物膜时，挥发性有机物被拦截下来，并附着在生物膜的表面，达到了分离、回收的目的。膜分离回收是一种较为成熟的技术，早在20世纪40年代，美国已经开始使用这一技术回收挥发到空气中的汽油分子。之后随着膜技术的发展，逐渐在芳香族化合物、含氧有机化合物的分离中得到了推广使用。根据空气中挥发性有机物浓度的不同，膜分离回收效果也有较大差异。在一些浓度较高的情况下，挥发性有机物的回收率可以达到90%以上[2]。

2挥发性有机物的分解技术

2.1燃烧分解

挥发性有机物具有可燃性，通过燃烧将大分子有机物分解为小分子无机物，从而降低其危害。根据燃烧方式的不同，又可以分为直接燃烧、蓄热燃烧、多孔介质燃烧3种常见技术。

2.1.1直接燃烧

当挥发性有机物达到一定浓度后，向其中加入助燃剂，然后直接燃烧。由于挥发性有机物的成分复杂，个别成分在燃烧过程中会释放出有毒的、刺激性气体。因此，在直接燃烧法中，还需要对燃烧气体进行检测，并且对其中的有害成分进行无害化处理。直接燃烧法虽然对设备要求不高，处理成本较低，但是也存在许多缺陷。除了产生有害气体外，还需要提供高温条件，而温度越高，安全隐患越多。

2.1.2蓄热燃烧

对于待处理的废气，燃烧分解前可以先进行预热，其目的主要有两个：一是增强挥发性有机物的分子活跃度，以便于燃烧更加充分，对有害物质的去除更加彻底;二是缩短处理时间，降低对燃烧系统的运行要求。蓄热燃烧系统由若干个子系统构成，包括阀门系统、蓄热式、燃烧室等。随着工艺改良，现阶段蓄热燃烧系统大多采用双室蓄热工艺，蓄热室由陶瓷、高铝土等导热性较好的材料构成，进一步提高了热回收效率，降低了燃烧分解的成本和能耗。

2.1.3 多孔介质燃烧

该方法是现阶段技术含量较高、且应用效果最为理想的燃烧分解方法。使用多孔状的介质材料，增大了材料表面与挥发性有机物的接触面积，其原理类似于吸附技术中蜂窝状的吸附剂。在介质材料的选择上，优先考虑导热性能好、蓄热能力强的材料。先利用上游废弃进行材料预热，然后再通过燃烧产生热量进行分解，进一步提升了挥发性有机物的处理效果。从实际应用效果来看，多孔介质燃烧技术的显著优势主要体现在两点：一是燃烧更加稳定，对反应容器和燃烧设备的要求相对较低，安全性更好;二是挥发性有机物的去除率更高，通常在98%以上[3]。

2.2生物分解

利用微生物活动可以将成分复杂的挥发性有机物，转化为比较简单的无机物，例如H20、CO2等。生物降解的基本流程为：首先选择溶解度较强的溶剂，将待处理的废气通入溶剂中;当废气中的挥发性有机物溶于溶剂后，使溶剂缓慢的流过生物膜;在流动过程中，附着在生物膜上的微生物，会对挥发性有机物进行降解、转化。例如，某些微生物以挥发性有机物作为食物，经过消化后产生无毒無害的排泄物，从而降低了挥发性有机物的危害。影响生物分解挥发性有机物效果的因素，主要有温度（影响微生物生命活动）、菌种（影响分解速率）等。生物分解技术的应用优势在于易于操作、不产生二次污染。但是缺点也比较明显，例如：温度过高或过低，都会影响微生物的活动，分解效果不稳定。

2.3光催化分解

光催化降解法是利用光能促使半导体（通常为TiO2）催化剂在其表面发生光化学作用，引发某些氧化还原反应的进行，从而对挥发性有机物进行去除。利用模块法制备TiO2纳米材料，发现制得的催化剂表面因为氧空位较多，可以将体积分数为300×10-6的苯在4 h内去除完全[4]。从实践应用效果来看，光催化分解的优势明显，比如：能耗较低，去除率高，并且适用于不同浓度的挥发性有机物处理。但是作为一项新技术，光催化分解也存在不完善的地方，比如：分解过程中产生较多的中间产物。这些产物中有一部分存在污染性，如果处理不当，很容易引发二次污染。还有就是对催化剂的选用较为严格，催化剂失活，达不到反应条件等，都无法保证光催化分解的进行。

2.4低温等离子体净化

低温等离子法利用等离子体放电的方式，可以处理较多的挥发性有机物，对质量浓度小于100 mg/m3的挥发性有机物处理效率极高，可在常温常压下进行。有研究人员利用电子束照射产生低温等离子体，对含有甲苯和四氯甲苯的混合型挥发性有机物气体进行处理，处理结果较为乐观。在应用这一方法时，温度的控制是决定挥发性有机物去除率的关键因素。考虑到低温等离子体净化处理中，可能会产生有机废气，因此在处理工艺中，还需要针对中间产物的特性，增加专门的处理设备。

3挥发性有机物处理新技术

挥发性有机物的组成成分极为复杂，含量较高的有卤代烃、含氧有机化合物、非甲烷碳氢化合物等几大类，每个类别下又可以细分成若干种单体物质。由于不同化合物的分子结构、理化性质存在较大差异，如果使用单一处理技术，往往并不能取得理想的效果[5]。近年来，组合式处理技术得到了推广使用，两种或多种技术进行优势互补，进一步提高了挥发性有机物的处理效果。

3.1冷凝+吸收组合技术

当空气中挥发性有机物的含量较低时，单一地使用冷凝法或吸收法进行回收，需要较为严苛的条件和较高的成本。如果采用“冷凝+吸收”组合技术，则可以避免此类问题。先将含有挥发性有机物的废气，通过低温冷凝设备，在低温、高压的环境下，挥发性有机物的浓度升高。然后再通过吸收法，可以较为方便和高效地完成挥发性有机物的吸收。该组合式技术的工艺稳定、操作方便、成本较低，相比于单一的回收技术，挥发性有机物的回收效率可以达到95%以上。

3.2吸附浓缩+燃烧组合技术

吸附技术可以将空气中低浓度的挥发性有机物富集起来。经过吸附达到饱和状态的吸附剂，如何进行无害化处理，是应用吸附技术时必须要考虑的问题。采用“吸附浓缩+燃烧”组合式技术，首先利用活性炭等吸附剂，富集挥发性有机物。然后将饱和的活性炭，放置于密闭的反应容器内，经过燃烧后得到无毒无害的无机物。由于挥发性有机物和活性炭都属于可燃物，燃烧时产生的热量可以用于供暖、发电，实现了资源的循环利用。

3.3喷淋洗涤+催化氧化组合技术

挥发性有机物可溶于水，根据这一特性，可以设置一处喷淋室，让含有挥发性有机物的废气通过喷淋室。喷淋出来的水可以与废气充分接触，可以吸收其中的挥发性有机物。经过水洗处理后，将含有挥发性有机物的废水，倒入相应的反应装置中，在特定条件下，加入催化剂，发生催化氧化反应，将废水中的挥发性有机物转化为溶于水的无机物（如H20、C02等）[6]。经过处理后的废水，还可以重新进入到喷淋系统中，循环利用。既可以降低处理成本，又符合当前提倡的绿色环保理念。

4结语

2020年是决胜“蓝天保卫战”的关键之年。挥发性有机物具有成分复杂、来源广泛、危害严重等特点，是空气治理工作中的重点对象。选择恰当的技术方法，能够以较低的成本、简单的设备，提高挥发性有机物的去除率，从而达到净化环境、保护生态的目的。现阶段，在使用冷凝回收、吸附回收、燃烧分解、生物分解等技术的基础上，采用多种方法的组合式技术，可以进一步提高处理效果，具有推广使用价值。

参考文献

[1] 关昱，施建中，张明锦，等.挥发性有机物（VOCs）治理技术及其研究进展[J].上海节能，2020（1）：45-48.

[2] 邱洪華，王斌. 基于专利质量指标的中美挥发性有机物治理技术创新活动评价[J]. 中国科技论坛，2020（5）：163-172.

[3] 高寒，董艳春，周术元.贵金属催化剂催化燃烧挥发性有机物（VOCs）的研究进展[J].环境工程，2019（3）：136-141.

[4] 刘尚铭.挥发性有机物治理措施现状分析[J].化工管理，2019（16）：47-48.

[5] 刘宇彤.我国工业VOCs集中处理生命周期评价及技术经济研究[D].长春：吉林大学，2019.

[6] 尹萌萌.低温常压蒸发处理含挥发性有机物高盐废水及效能研究[D].北京：中国地质大学（北京），2017.