挥发性有机物污染控制技术研究

李红星，姚海珍

（1.唐山市生态环境局乐亭县分局，唐山063699；2.乐亭县医院，唐山063699）

挥发性有机物是各种有机化合物的统称，其成分对自然环境和人类健康有着非常大的危害，苯作为其中的一种有机化合物，被列为第一类致癌物[1]。然后挥发性有机物能够和大气中的氧化剂发生化学反应，生成二次有机气溶胶，该气溶胶成分占据了大气低层中大约一半的小颗粒，所以对人类健康和天气都会有显著性影响；挥发性有机物还会与氮氧化合物发生光化学反应，于是就会形成污染较大的光化学烟雾，该烟雾不仅对人类健康有害，而且还会影响到农作物的生长[2-3]。在很早之前，欧盟等国家已经意识到挥发性有机物的危害性，于是制定了一系列控制措施和相关法律法规，希望能够控制挥发性有机物的发展，减少对人类和自然的伤害，经过多年的验证之后确实能够有效降低挥发性有机物含量，改善环境质量。而我国对挥发性有机物的重视程度相对于国外比较晚，该物质已经对某些区域造成比较严重的影响，挥发性有机物已经成为大气污染的重要参与者和前提物质。随后，我国开始采取各种措施技术，出台各种相关规定，制定出相关法律法规，试图降低挥发性有机物含量，使得挥发性有机物能够得以控制。如今，在经过多年不断努力，我国对挥发性有机物的控制越来越好。为了进一步提高挥发性有机物控制成效，文章将会挥发性有机物污染控制技术进行分析。通过对挥发性有机物的来源和危害性了解，提出相关的污染控制技术。

1 挥发性有机物的来源

空气中的污染物比较多，挥发性有机物作为其中普遍存在的物质对环境和人类都会有很大的影响。具体什么是挥发性有机物，其定义存在差异，比如世界卫生组织将挥发性有机物的定位为：沸点在50℃~260℃之间且熔点低于室温的所有挥发性有机化合物；美国相关标准中对挥发性有机物的定义为：参加大气光化学反应的所有有机化合物[4-5]。挥发性有机物中包含很多种挥发性有机化合物，曾经有人对室内进行调查过，一共检测出三百多种挥发性有机化合物，可想而知这些化学物的存在会对人类造成比较大的影响。挥发性有机物大致上可以将其主要成分划分为九种，分别有芳香烃、脂肪醇类、不饱和脂肪烃/环烷烃、脂类、卤代烃类、饱和脂肪烃、醛/酮类、萜烯类[6]。

挥发性有机物的来源比较广泛，在很多行业中排放的废气中就会存在挥发性有机物，比如制药工业、表面防腐、印刷工业、交通运输和涂料装饰业等行业中[7]。其中交通运输业汽车尾气排放属于挥发性有机物重点来源，然后随着我国建筑行业的快速发展，其中使用的大量装饰装修材料使得挥发性有机物变得更多，即建筑行业属于挥发性有机物另外一个主要重点来源。挥发性有机物的来源虽然比较广泛，但是通过综合分析之后，可以将其主要污染源分为两类，分别为人为源和天然源。有统计表面，天然源排放挥发性有机物的重量超过了人为源。

1）天然源。挥发性有机物的天然源主要包含植物排放、火山喷发、森林火灾等，森林和灌木林属于天然源中的重点排放源，其最重要的排放物包含异戊二烯、甲醇、单萜烯等，这些物质属于挥发性有机物中的重点成分。

2）人为源。人为因素造成的挥发性有机物来源比较广泛，按照来源的不同形态，可以将其来源分为流动源、固定源和无组织排放源。其中流动源包含交通工具等的排放，固定源包含石油燃料燃烧，石油化工、金属冶炼、钢铁工业等的排放，无组织排放源包含生物质燃烧和溶剂挥发等。在这些人为源中交通运输属于全球最大的挥发性有机物人为排放源，另外，其中工业产生的挥发性有机物也相当多，也属于重点来源之一。

交通运输在挥发性有机物的排放上属于全球最大人为源，有学者对高速公路周围的挥发性有机物进行研究，发现越靠近高速公路，其挥发性有机物浓度越高，高速公路周围有机物浓度大致上是远离高速公路的两倍。挥发性有机物的工业来源中精炼石油化工属于排放量最大的行业，虽然每个地域不同排放源的排放量存在差别，但是通过统计之后精炼石油化工行业在挥发性有机物的排放量上达到总排放量的一半，然后再就是仓储业，其排放量也比较多，但是相对于精炼石油化工行业其排放量相差甚远，最后就是船舶及相关装备制造行业的排放量比较多。

表1 介绍了五种挥发性有机化合物的主要污染源，通过了解不同污染物的污染源，可以从源头对这些化合物进行控制[8]。

表1 不同化合物的主要污染来源Tab.1 Main pollution sources of different compounds

2 挥发性有机物的危害

挥发性有机物对我国乃至世界都存在不同程度的危害，并且随着工业化进程的不断发展和建筑行业的不断前进，大气污染日趋严重，人类不得不使用各种技术对污染物进行控制。挥发性有机物的增多，会增加大气氧化性，还会造成二次细颗粒物的增多，严重影响空气质量，对人类身体健康造成一定影响。只有我们深刻认识到挥发性有机物的危害，才能够更好的提出相关控制技术，降低挥发性有机物的含量。下面将主要分析挥发性有机物对大气造成的污染，因为对人类危害无非就是导致人体出现各种疾病和不适感。挥发性有机物对大气的污染将从两个方面进行分析，一种是挥发性有机物本身直接产生的危害，另外一种为挥发性有机物作为危害的重点前提物质，因其与其他物质发生化学反应导致产生的危害，这里简称为间接危害，如下所示。

1）直接污染。人体会对某些气味产生厌恶，属于人体一种嗅觉反应，就会造成臭味污染。一般情况下，臭味物质会存在一些特征，比如较强的挥发性、成分中有碳数比较少的环状化合物结构、还原态氮或者硫等物质。而挥发性有机物中就存在让人觉得臭味的物质，即给人类造成臭味污染。这些臭味污染会给人类的呼吸系统、内分泌系统、神经系统和循环系统等造成不同程度的影响。另外，挥发性有机物中存在很多化合物具有毒性，比如甲醛、多环芳香烃等物质，这些物质具有很强的致癌性。

2）间接污染。挥发性有机物中很多化合物会有高度的光化学反应性，于是受到紫外线的作用，挥发性有机物会与大气中氮氧化合物发生光化学反应，于是就会形成一种化学烟雾，从而产生浓度非常高的臭氧和其他过氧化物，即挥发性有机物不仅自身具有危害，而且还会造成二次污染。高浓度的臭氧会影响人体神经中毒、头昏、呼吸道粘膜和组织遭到破坏、破坏人体免疫力等，而且还会腐蚀农作物，降低农作物的产量。

挥发性有机物在大气中还会与氧化剂发生多途径反应，从而形成二次有机气溶胶，这种物质大多数在细颗粒范围，不会下沉，会在空气滞留很长时间，从而会降低大气能见度，形成雾霾天气。如今，雾霾天气越发严重和频繁，严重影响着人类生活和生产。

挥发性有机物对人类和自然的危害非常大，丞需采取一切措施对其进行控制，力图能够大幅度降低挥发性有机物的含量。于是下文将对挥发性有机物污染控制技术进行分析。

3 挥发性有机物污染控制技术

由于挥发性有机物给人类造成相当大的危害，必须对其进行控制，才能保障人类的生产和生活。在2010年之前我国就已经重视对挥发性有机物的控制，至今已经产生了比较多的污染控制技术。每种控制技术的目的都在于降低挥发性有机物的产生或者将其进行利用，从而降低对人类和环境的应用。每一种控制技术的存在都会存在一定的优势和劣势，应用范围也会存在差别，所以为了能够合理降低挥发性有机物的污染程度，需要选择合适的污染控制技术，该部分将主要对几个污染控制技术进行介绍分析，目的在于能够更好的了解挥发性有机物污染控制技术，从而在不同领域中进行合理使用，并且还可以通过了解这些控制技术，有助于发现更加优异的新型挥发性有机物污染控制技术。

1）焚烧技术。焚烧法就是将污染物进行焚烧等一系列操作，从而大幅度降低挥发性有机物的浓度和含量，即焚烧法主要针对的是高浓度挥发性有机物。这种污染控制技术主要应用于工艺尾气和工业废气中，尤其是关于制药废气、木材干馏废气和石化工艺废气等方面使用得比较多，能够高效率并且彻底的处理挥发性有机物。使用焚烧法其中最重要的设备为焚烧炉，该炉型的种类不止一种，每一种炉型的使用范围也不一样，常常使用的焚烧炉有直接焚烧炉、蓄热式焚烧炉和对流换热式焚烧炉等，在选择焚烧炉之间，需要了解焚烧气体的腐蚀性、组分等理化特性，然后根据这些参数选择合适的焚烧炉，然后对焚烧炉设置合理的参数。焚烧过程中会消耗大量的能源，并且还会产生大气污染物，所以能节能环保的角度考虑，需要降低焚烧温度，并且将挥发性有机物在高温区的停留时间降低，为了实现该目标，人们在焚烧炉中加入催化剂，常使用的催化剂种类有过渡金属催化剂、贵金属催化剂和金属氧化催化剂等。通过使用催化剂能够降低能源消耗，还可以降低焚烧中产生的大气污染物含量。使用焚烧法时需要注意的是气体对焚烧炉的腐蚀，还有就是焚烧时产生的二次污染，尽可能的能够利用好焚烧过程的余热。

2）光催化技术。光催化技术的使用年代比较久，早在20 世纪70 年代就已经有着普遍的使用。光催化剂技术能够控制挥发性有机物含量，主要是将该有机物氧化为其他物质。这种技术中最终就是需要使用到催化剂，常用的催化剂为n型半导体材料，比如二氧化钛、氧化锌、三氧化二铁等。光催化技术降低挥发性有机物的含量主要原理在于对催化剂使用相应的光进行照射，其价带上的电子会被激发，从而进入导带，会产生空穴，形成空穴对，即光催化剂被激活，会产生氢氧离子，该离子会与挥发性有机物发生氧化反应，从而使得挥发性有机物转化为无机物、水和二氧化碳，从而实现对污染控制。需要注意的是在挥发性有机物污染控制中使用该技术，该有机物的浓度需要小于100mg/L，且其气流量比较小。

3）吸附技术。这种污染控制技术与焚烧法不同，吸附法主要针对的是低浓度挥发性有机物的处理，通过使用吸附剂将挥发性有机物进行吸附，从而实现对污染物的控制效果。使用吸附法进行挥发性有机物的去除，其去除率受到不同因素的影响，影响最大且常见的因素有吸附剂种类、操作条件（温度、压力等）和挥发性有机物组分、浓度等。所以为了提高挥发性有机物的去除率，需要从这些方面进行研究。常用的吸附剂种类比较多，比如活性炭纤维、活性氧化铝、颗粒活性炭、硅胶等，这些活性炭存在各自的优势和使用条件，一般情况下能够对挥发性有机物进行吸附，但是有些特殊的挥发性有机物，使用何种吸附剂的效果更好需要进行实验分析，并且得出最佳吸附条件，从而能够最大限度的提高挥发性有机物的去除率。活性炭空气净化器属于一种商业化生活用品，该净化器对挥发性有机物进行吸附时其去除率可以达到90%，吸附率比较高。当吸附达到平衡之后，还会存在一些挥发性有机物没有被清除干净，被吸附在吸附剂的表面，于是可以使用热空气将这些有机物与吸附剂脱离，即带出吸附器，然后再使用蒸馏或者冷凝的方式对挥发性有机物进行回收和提纯。

4）冷凝技术。冷凝法属于一种挥发性有机物的回收处理技术，通过回收再利用从而实现污染控制。冷凝法主要是将挥发性有机物中具有价值的成分进行回收，实现资源化利用。气态污染物具有不同的蒸气压，所以冷凝法利用该特点，通过设置合适的压力和温度使得有机物过饱和，于是挥发性有机物中的某些成分就会发生凝结作用，于是能够实现对该成分的净化和回收利用。使用冷凝法对污染进行控制的去除率并不是很高，当挥发性有机物的沸点温度在60℃以下时，去除率能够达到80%~90%。所以为了实现的更好的污染控制效果，将其与上文中研究的焚烧法进行结合使用，不仅能够提高挥发性有机物的去除率，而且还可以降低运行成本和运行条件，于是这种结合使用方式在实际中应用比较普遍。

5）低温等离子技术。低温等离子技术对挥发性有机物进行控制时属于一种降解方式，主要是对挥发性有机物进行降解，从而实现控制污染的作用。低温等离子技术的主要工作原理：利用电场的加速作用，形成高化学活性的高等电子，该电子的能量不断增加时，最后其平均能量超过了挥发性有机物中分子化学的键能时，就会使得分子键断裂，即低温等离子技术就是破坏分析键的连接，然后实现降解挥发性有机物的目的，使得污染得以控制。这种污染控制技术属于当前的研究热点之一。虽然通过实验之后发现低温等离子技术对挥发性有机物的降解效率并不是很高，但是将其与催化科学相结合使用之后，即形成低温等离子催化技术，这种技术能够实现很好的催化效果，于是就会发挥出非常好的降解作用。国外科学家使用这种方式对金属氧化物的催化活性进行分析，在其中使用氧化锰作为催化剂，相比于没有添加催化剂的一组相比，使用催化剂的一组能够实现更好的转化率，大致提高了三倍。所以低温等离子技术结合催化剂进行同时使用，在挥发性有机物污染控制中能够实现不错的效果。

6）膜分离技术。1980 年后膜分离方式广泛应用于化工、食品、海水淡化等领域中，主要作用在于实现挥发性有机物回收和液相分离，还能够对石油化工中的某些成分进行分离和回收，并且能够对挥发性有机物中大部分成分进行回收利用，主要是对比较高浓度的挥发性有机物进行回收和利用，而且要求其体积分数超过0.1%。膜分离技术具有高效的分离特点，而且流程简单、不会产生二次污染、能耗小，所以这种技术能够在很多领域中发挥重要的作用。随着人类对膜分离技术的深入了解和不断应用，该技术的应用范围更加广泛，能够在天然气的分离提纯、氧的富集等幅方面进行使用，尤其在挥发性有机物污染的控制上有着更好的应用效果。由于挥发性有机物中各个组成成分如果受到压力的推动，这些成分穿过膜的传质速度会存在差别，通过利用这个特点，从而实现挥发性有机物中的组成成分分离，即为膜分离法的工作原理。膜分离法中使用的膜材质可以是无机膜，也可以是有机膜，如今，人类发明了性能更加优异的纳米级无机微孔膜，这种膜具有更好的耐高温和耐酸碱性，将其作为膜分离法中使用膜相比于有机膜更加合适，自从这以后人类更加重视使用无机膜。无机膜还可以由其他材料所制成，比如金属、陶瓷、多孔玻璃、金属氧化物等，这些膜的主要作用就是分离和回收不同组分气体，还可以应用于高温气体的净化处理。自从人类意识到无机膜具有更好的应用效果之后，对其进行了大量深入研究，属于化学化工和材料研究的一个热点课题之一。膜分离法为了实现更好的工业化，提高无机膜的稳定性至关重要，还需要重视无机膜和构件之间连接等问题，当然其中使用的膜分离反应器也是非常重要，直接决定着分离效果。

7）生物技术。使用生物技术消除挥发性有机物能够实现节能环保的作用，而且还不会存在二次污染。这种技术主要应用于常温、生物降解性好、处理低浓度的挥发性有机物中，如果需要处理比较特殊的废气，比如含硫、氰、苯酚等，需要使用特定的微生物氧化分解的生物技术。生物技术的主要原理在于利用相关微生物附着到滤料中，然后在合适的温度、湿度等环境条件下，将挥发性有机物作为维持微生物生命活动的能源和碳源，于是微生物将摄取挥发性有机物，并将其转化为无机物或者细胞组成的物质。当挥发性有机物的体积分数小于0.1%时，可以首先优先选择生物法这种污染控制技术，如果其中的含氯物质比较多，则不能使用这种方式消除挥发性有机物。任何一种污染控制技术不能对所有的挥发性有机物进行消除，所以为了能够尽可能的将所有挥发性有机物消除，需要使用不同的控制技术进行结合使用，比如使用生物技术之后，还会存在某些挥发性有机物没有清除干净，可以使用其他合适的方式进行清除，但是需要注意的是要避免二次污染。生物法这种污染控制技术目前包含有生物过滤法、生物滴滤法和生物洗涤法这三种，当然每种方法的使用范围和效果会存在差异，需要根据实际情况进行选择最为合适的污染控制技术。

4 结语

综上所述，挥发性有机物的来源比较广泛，对人类和大气环境都会造成严重的影响，急需使用各种污染控制技术对其进行控制，以免造成更加严重的危害。从上文中可以看出，污染控制技术比较多，但是每一种方式并不能将所有种类挥发性有机化合物完全去除或者对其完全回收利用，在实际应用过程中，可以使用多种污染控制技术进行结合使用，能够有效提高挥发性有机物的控制效果。随着科学技术的不断发展，需要提出更加新颖有效的污染控制技术，才能实现挥发性有机物的长远控制。