工業(yè)源VOCs 氣體污染控制技術(shù)應(yīng)用研究

趙琪(上海富熾環(huán)境檢測(cè)技術(shù)服務(wù)中心，上海 201700)

0 引言

揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)是一類能參與光化學(xué)反應(yīng)的大氣污染物，常用總揮發(fā)性有機(jī)物(TVOC)、非甲烷總烴(NMHC)作為污染控制項(xiàng)目來(lái)表征其總體排放情況，在生態(tài)環(huán)境部(MEE)制定的《有毒有害大氣污染物名錄(2018 年)》中，有6 種屬于VOCs[1-2]。近年來(lái)，隨著我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)源VOCs 的排放量不斷增加，VOCs 污染不僅影響區(qū)域環(huán)境大氣質(zhì)量，而且危害周邊居民生命健康，VOCs 管控成為現(xiàn)階段我國(guó)大氣環(huán)境領(lǐng)域工作的重點(diǎn)[3]。

1 工業(yè)源VOCs污染現(xiàn)狀

工業(yè)源VOCs排放涉及的行業(yè)范圍廣泛，具有排放強(qiáng)度大、濃度高、污染物種類多、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，對(duì)局部環(huán)境空氣質(zhì)量影響顯著[4]。工業(yè)源VOCs 不僅是對(duì)流層臭氧光化學(xué)生成的重要前體物，也是二次顆粒物的關(guān)鍵前驅(qū)物之一[5]，它能與硫酸鹽、氮氧化物、氨等污染物在大氣環(huán)境中反應(yīng)生成細(xì)顆粒物，造成PM2.5污染。因此對(duì)工業(yè)源VOCs 污染防治已經(jīng)成為亟需解決的重要研究課題[6]。

2 VOCs治理技術(shù)

工業(yè)源VOCs污染控制思路主要包括源頭防控、過(guò)程管控、末端嚴(yán)控，其中末端控制技術(shù)主要分為物理技術(shù)[7]和氧化技術(shù)[8]兩大類。物理技術(shù)是利用物質(zhì)的物理特性，如工程應(yīng)用最普遍的活性炭吸附；氧化技術(shù)是通過(guò)化學(xué)或生化反應(yīng)，將VOCs 廢氣中有機(jī)物分解成無(wú)機(jī)小分子物質(zhì)，如催化燃燒法、低溫等離子光催化法等[9-10]。

2.1 吸附法

吸附(Adsorption)法是利用吸附劑對(duì)VOCs 廢氣中的污染物進(jìn)行吸附凈化，適用于低濃度、高通量VOCs 的處理。吸附效果受溫度、壓力、濃度、分子量、化學(xué)活性等因素影響[11-12]。國(guó)內(nèi)目前主要采用活性炭固定床吸附技術(shù)，對(duì)VOCs 的飽和吸附容量約20～40%wt[13]。韓忠娟[14]等研究了蜂窩活性炭對(duì)VOCs 的吸-脫附性能，發(fā)現(xiàn)降低入口VOCs 濃度可提高吸附效率。

2.2 冷凝法

冷凝(Condensing)處理是利用凝結(jié)溫度梯度分離VOCs 廢氣中的不同組分，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作容易、高濃縮回收率等優(yōu)點(diǎn)，常應(yīng)用于氣態(tài)低沸點(diǎn)溶劑的回收[16]。在高濃度VOCs 廢氣處理中，通常采用冷凝-吸附/催化燃燒的組合工藝，吸附或催化處理冷凝尾氣，有效提高處理效率。馬天琦等采用模擬軟件對(duì)冷凝法甲苯回收系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，研究甲苯回收率的影響因素，發(fā)現(xiàn)溫度在回收過(guò)程中具有關(guān)鍵性作用。

2.3 液體吸收法

液體吸收法是指利用相似相容原理凈化VOCs 廢氣，適用于大氣量、中等濃度VOCs 廢氣的處理。常用的吸收液有液體石油類物質(zhì)、表面活性劑和水組成的混合液。吸收過(guò)程按其機(jī)理可分為物理吸收和化學(xué)吸收，首先VOCs 從氣相轉(zhuǎn)移到液相溶劑中，再對(duì)吸收液進(jìn)行解吸處理，回收有價(jià)值組分，同時(shí)對(duì)溶劑進(jìn)行再生。鄭玉祥[22]研究表面活性劑吸收液處理甲苯廢氣，發(fā)現(xiàn)FMES 表面活性劑+添加劑吸收液對(duì)甲苯的去除率可達(dá)到86%。

2.4 生物法

生物凈化是利用微生物處理VOCs 廢氣，廢氣中的有機(jī)物在微生物生物氧化作用下分解為簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物(CO2、H2O、SO42-)或細(xì)胞組成物質(zhì)。生物法適用于有機(jī)化工和石油化工有機(jī)廢氣的處理，具有運(yùn)行費(fèi)用低、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。曹菁洋研究了生物污水池對(duì)VOCs 的治理效果，發(fā)現(xiàn)生物低濾塔處理VOCs 具有很好的穩(wěn)定性，對(duì)甲醇、乙醇、環(huán)己烷、間二甲苯去除效率均超過(guò)90%。

2.5 催化燃燒法

燃燒法是指在一定溫度和有氧條件下，將VOCs 燃燒分解為二氧化碳和水，主要適用于高濃度或者高溫工業(yè)源VOCs 廢氣的處理。新型蓄熱式催化燃燒技術(shù)采用蓄熱體存儲(chǔ)催化反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的熱能來(lái)加熱待處理的廢氣，實(shí)現(xiàn)能量的內(nèi)部循環(huán)利用，有效提高能源使用效率。徐明]等采用催化燃燒工藝處理某化工企業(yè)VOCs 廢氣，經(jīng)處理后丙烯醛去除率達(dá)到94.9%，非甲烷總烴去除率達(dá)到93.2%。

2.6 低溫等離子體技術(shù)

低溫等離子技術(shù)通過(guò)介質(zhì)放電產(chǎn)生高能粒子與VOCs 廢氣發(fā)生復(fù)雜反應(yīng)，使其分解為無(wú)毒無(wú)害物質(zhì)，是一種應(yīng)用于處理有毒有害物及難降解有機(jī)廢氣的新技術(shù)。C-S 和S-H 鍵在高能粒子作用容易被打斷，適用于橡膠硫化工藝廢氣的除臭。唐愛(ài)民等利用低溫等離子體技術(shù)降解甲苯廢氣，降解率最高可達(dá)94.93%。謝逢俊等采用低溫等離子體處理VOCs，發(fā)現(xiàn)電功率密度與VOCs 凈化效率呈正比關(guān)系，高頻電源單介質(zhì)電機(jī)電場(chǎng)對(duì)VOCs 的凈化效率最高可達(dá)71.4%。

2.7 光催化技術(shù)

光催化氧化法主要是利用紫外光照射光催化劑(如TiO2)，激發(fā)出“電子-空穴”對(duì)，產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的自由基活性物質(zhì)，氧化分解吸附在催化劑表面的VOCs。胡志軍等研究了低溫等

離子體協(xié)同光催化降解乙硫醇，發(fā)現(xiàn)污染物的降解率隨著輸入功率的增加而提高，協(xié)同作用能獲得更好的降解效果。

2.8 處理方法對(duì)比

工業(yè)源VOCs 廢氣組成成份及濃度決定廢氣治理的難易程度，VOCs 末端治理技術(shù)根據(jù)行業(yè)排放特征不同可以選擇最合適方法，不同處理技術(shù)的對(duì)比如表1 所示。

VOCs 治理需要考慮多種因素，治理技術(shù)的選擇需要確保污染物穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放，在技術(shù)上可行條件下兼顧經(jīng)濟(jì)成本，選擇達(dá)到目標(biāo)的最優(yōu)處理技術(shù)。

表1 幾類主要處理方法比較分析

3 結(jié)語(yǔ)

在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)采用清潔生產(chǎn)技術(shù)，實(shí)施源頭控制和末端治理相結(jié)合的綜合防治措施；根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性，嚴(yán)格生產(chǎn)過(guò)程中VOCs 排放的污染控制要求，鼓勵(lì)對(duì)資源和能源的回收利用。新的技術(shù)手段將考慮以下幾點(diǎn)：

(1)加強(qiáng)源頭控制，在生產(chǎn)中使用低VOCs 含量原輔料，推廣低VOCs 替代應(yīng)用，細(xì)化源頭削減。

(2)探索最優(yōu)組合工藝，根據(jù)不同行業(yè)VOCs 廢氣的污染組分、初始濃度、風(fēng)量、排放濃度標(biāo)準(zhǔn)限值等因素進(jìn)行全面分析，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效益，選擇最佳廢氣治理工藝路線。

(3)開(kāi)展新技術(shù)、新材料的研發(fā)，研制高效吸附材料，可再生循環(huán)利用的催化材料，進(jìn)一步探索VOCs 降解的作用機(jī)理，提高去除效率。