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有機廢氣處理技術

2016-8-22

有機廢氣(VOCs)處理技術綜述
 
 
近年來隨著經濟的發展 ,化工企業的大量新起 ,在加上環保投資力度的不夠 ,導致了大量工業有機廢氣的排放 ,使得大氣環境質量下降 ,給人體健康來嚴重危害 ,給國民經濟造成巨大損失 ,因此 ,需要加大對有機廢氣的處理。對有機廢氣的治理 ,人們早就有研究 ,而且已經開發出一些卓有成效的控制技術 ,如廣泛采用并且研究較多的有熱破壞法、 冷凝法、 吸收法等 ,近年來形成的新控制技術有生物膜法、 電暈法、 等離子體分解法等。本文將對上述方法作較為詳細的介紹。
1  有機廢氣處理技術
1 . 1  熱破壞法
熱破壞是目前應用比較廣泛也是研究較多的有機廢氣治理方法 ,特別是對低濃度有機廢氣 ,有機化合物的熱破壞可分為直接火焰燃燒和催化燃燒。直接火焰燃燒是一種有機物在氣流中直接燃燒和輔助燃料燃燒的方法。多數情況下,有機物濃度較低 ,不足以在沒有輔助燃料時燃燒。直接火焰燃燒在適當溫度和保留時間條件下 ,可以達到 99%的熱處理效率。
催化燃燒是有機物在氣流中被加熱 ,在催化床層作用下 ,加快有機物化學反應 (或破壞效率的方法 ) ,催化劑的存在使有機物在熱破壞時比直接燃燒法需要更少的保留時間和更低的溫度。催化劑在催化燃燒系統中起著重要作用。用于有機廢氣凈化的催化劑主要是金屬和金屬鹽 ,金屬包括貴金屬和非貴金屬。目前使用的金屬催化劑主要是 Pt、 Pd,技術成熟 ,而且催化活性高 ,但價格比較昂貴而且在處理鹵素有機物 ,含 N、 S、 P等元素時 ,有機物易發生氧化等作用使催化劑失活。非金屬催化劑有過渡族元素鈷、 稀土等。近年來催化劑的研制無論是國內還是國外進行得較多 ,而且多集中于非貴金屬催化劑并取能得了很多成果。例如 V2O5 +MOX (M:過渡族金屬 ) +貴金屬制成的催化劑用于治理甲硫醇廢氣 , Pt + Pd + Cu催人劑用于治理含氮有機醇廢氣。
由于有機廢氣中常出現雜質 ,很容易引起催化劑中毒 ,導致催化劑中毒的毒物 (抑制劑主要有磷、 鉛、 鉍砷、 錫、 汞、 亞鐵離子鋅、 鹵素等。催化劑載體起到節省催化劑 ,增大催化劑有效面積 ,使催化劑具有一定機械強度 ,減少燒結 ,提高催化活性和穩定性的作用。能作為載體的材料主要有 AL2O3、 鐵釩、 石棉、 陶土、 活性炭、 金屬等 ,最常用的是陶瓷載體一般制成網狀、 球狀、柱狀、 峰窩狀。另外近年來研究較多且成功的有絲光沸石等。對催化燃燒而言 ,今后研究的重點與熱點仍將是探索高效高活性的催化劑及其載體 ,催化氧化機理。
1 . 2  液體吸收法
液體吸收法是利用液體吸收液與有機廢氣的相似相溶性原理而達到處理有機廢氣的目的。通常為強化吸收效果用液體石油類物質、 表面活性劑和水組成的混合液來作為吸收液。近年來 ,日本人研究利用了用環糊精作為有機鹵化物的吸收材料 ,根據環糊精對有機鹵化物親合性極強的原理 ,將環糊精的水溶液作為吸收劑對有機鹵化物氣體進行吸收。這種吸收劑具有無毒不污染 ,捕集后解吸率高 ,回收節省能源 ,可反復使用的優點。
1 . 3  吸附法
吸附法的應用廣泛 ,具有能耗低、 工藝成熟、 去除率高、 凈化徹底、 易于推廣的優點 ,有很好的環境和經濟效益。缺點是設備龐大 ,流程復雜 ,當廢氣中有膠粒物質或其他雜質時 ,吸附劑易中毒。吸附法主要用于低濃度 ,高通量可揮法性有機物 (VOCs)的處理。決定吸附法處理 VOCs的關鍵是吸附劑 ,吸附劑應具有密集的細孔結構、 內表面積大、 吸附性能好、 化學性質穩定、不易破碎、 對空氣阻力小等性能 ,常用的有活性炭、 氧化鋁、 硅膠、 人工沸石等。
目前 ,多數采用活性炭 ,其去除效率高?;钚蕴坑辛詈屠w維狀兩類。顆粒狀活性炭結構氣孔均勻 ,除小孔外 ,還有 10~100nm的中孔和 1 . 5~5um的大孔 ,處理氣體從外向內擴散 ,吸附脫附都較慢;而纖維活性炭孔徑分布均勻 ,孔徑小且絕大多數是 1 . 5~3nm的微孔 ,由于小孔都向外 ,氣體擴散距離短 ,因而吸附脫附快。經過氧化鐵或氫氧化鈉或臭氧處理的活性炭往往具有更好的吸附性能。
1 . 4  冷凝法
冷凝法是利用物質在不同溫度下具有不同飽和蒸汽壓這一性質 ,采用降低系統溫度或提高系統壓力 ,使處于蒸汽狀態的污染物冷凝并從廢氣中分離出來的過程。冷凝過程可在恒定溫度的條件下用提高壓力的辦法來實現 ,也可在恒定壓力的條件下用降低溫度的辦法來實現 ,一般多采用后者。利用冷凝的辦法 ,能使廢氣得到很高程度的凈化 ,但是高的凈化要求 ,往往是室溫下的冷卻水所不能達到的。凈化要求愈高 ,所需冷卻的溫度愈低 ,必要時還得增大壓力 ,這樣就會增加處理的難度和費用。因而 ,冷凝法往往與吸附、 燃燒和其他凈化手段聯合使用,以回收有價值的產品。
1 . 5  生物法
生物凈化實質上是一種氧化分解過程:附著在多孔、 潮濕介質上的活性微生物以廢氣中有機組分作為其生命活動的能源或養分,轉化為簡單的無機物 (CO2、 H2O)或細胞組成物質?,F階段主要工藝包括:生物過濾床、 生物滴濾床以及生物洗滌床。 1 . 5 . 1 生物過濾床  生物過濾床是一種在其中填入具有吸附性濾料 (如泥炭、 土壤、 活性炭等物質 )的凈化裝置。掛生物膜前 ,在過濾床中摻入 pH緩沖劑和 N、 P、 K等營養元素 (如 NH4NO3和 K2HPO3 ) ,當具有一定濕度的廢氣進入生物濾床,通過約 0 . 5~1m厚的生物活性填料層時 ,濾料中的微生物 (主要是細菌、 放線菌、 原生動物、 藻類等 )即可通過接觸而捕獲廢氣中的有機物并將其作為自身生長的碳源。因此 ,廢氣通過生物過濾床后即可被凈化 ,而濾料層中的微生物在生化降解污染物的過程中不斷生長繁殖 ,從而使生物濾池的操作得以持續進行。濾料使用一年后一般呈酸性 ,要定期進行維護和保養。
1 . 5 . 2 生物滴濾床  生物滴濾池與生物濾池的結構相似 ,不同之處在于其頂部設有噴淋裝置。生物滴濾床使用的是粗碎石、 塑料蜂窩狀填料、 塑料波紋板填料、 陶瓷、 不銹鋼拉西環、 樹皮、 活性炭纖維、 微孔硅膠等一類不具吸附性的填料 ,填料的表面是微生物形成的幾毫米厚的生物膜。廢氣通過滴濾池時 ,廢氣中的污染物被微生物降解 ,生物滴濾池在營養供給和微生物生長環境的調節方面具有優勢 ,可承受比生物濾池更大的污染負荷 ,同時具有很大的緩沖能力 ,操作條件也易于控制 , 可通過調節循環液的 pH, 加入 K2HPO4、 NH4NO3等物質得以實現。
1 . 5 . 3 生物洗滌塔  生物洗滌塔通常由一個裝有填料的洗滌器和一個具有活性污泥的生物反應器構成。洗滌器里的噴淋裝置將循環液逆著氣流噴灑 , 使廢氣中的污染物與填料表面的水接觸 ,被水吸收而轉入液相 ,從而實現質量傳遞過程。吸收了廢氣組分的洗滌液 ,流入活性污泥池中 ,通入空氣充氧后再生 , 被吸收的氣態污染物通過微生物氧化作用 ,被活性污泥懸浮液從液相中除去,生物洗滌塔工藝中的液相是流動的 ,這有利于控制反應條件 ,便于添加營養液、 緩沖劑和更換液體 ,除去多余的產物。
不同成分、 濃度及氣量的氣態污染物各有其有效的生物凈化系統。生物洗滌塔適宜于處理凈化氣量較小、 濃度大、 易溶且生物代謝速率較低的廢氣;對于氣量大、 濃度低的廢氣可采用生物過濾床;而對于負荷較高以及污染物降解后會生成酸性物質的則以生物滴濾床為好。
1 . 6  脈沖電暈法
脈沖電暈法基本原理是通過前沿陡峭、 脈寬窄 (納秒級 )的高壓脈沖電暈放電 ,能在常溫、 常壓下獲得非平衡等離子體 ,即產生大量高能電子和 O、 H0等活性粒子 ,與有害分子進行氧化降解反應 ,使污染物最終轉化為無害物。1988年以來 ,美國就開展了電暈法降解低濃度的揮發性有機物的研究。研究表明在環境通常溫度和壓力下 ,該法能達到較好的效率。
1 . 7  膜分離法
膜分離法的基本原理是基于氣體中各組分透過膜的速度不同 ,每種組分透過膜的速度與該氣體的性質、膜的特性與膜兩邊的氣體分壓有關。膜分離法凈化有機廢氣是根據有機蒸氣和空氣透過膜的能力不同 ,而將二者分開的。常用膜分離工藝有:蒸氣滲透、 氣體膜分離和膜基吸收法。膜分離技術用于氣體凈化上的優點是投資費用低、 分離因子大、 分離效果好 (即凈化效果好 ) ,而且膜法凈化操作簡單、 控制方便、 操作彈性大。
1 . 8  光分解法
光分解 VOCs有兩種形式:一種是直接光照在波長合適時 , VOCs分解;另一種是催化劑存在下 ,光照 VOCs使之分解。
有研究表明 ,有機氯化物和氟氯烴在 185nm紫外光照射下 ,兩種物質都能在極短的時間內分解 ,鹵代物的分解速度大于氟氯烴;三氯乙烯幾秒鐘內即能分解成氧氣、 氯氣、 氟氣等。光分解可產生中間產物 ,可通過氫氧化鈉溶液處理或延長滯留時間等手段最終去除。
光催化降解技術原理是光催化劑如 Ti O2在紫外線的照射下被激活 ,使 H2O生成 OH自由基 ,然后 OH自由基將有機污染物氧化成 CO2 和 H2O 。用 Ti O2 催化劑時可采用普通的熒光燈為光源來消除惡臭和非常低濃度的污染物。受催化劑降解效率的影響 ,光催化氧化法在工業上的應用還待開發。
1 . 9  等離子體分解法
等離子體分解氯氟烴的技術已到實用階段 ,植松信行研究了利用等離子體的化學作用分解氯氟烴之類難分解氣體為無害物的應用。此技術可在短時間內進行大量的氯氟烴等氣體的處理。此過程采用二個系統 ,一系統利用高頻等離子體急速加熱 ,使溫度達 10000℃ 利用等離子體的化學作用與水蒸汽接觸進行分解的超高溫加水系統;第二個系統是將高溫分解的排氣急冷到 80℃下的排氣系統。該系統是由氯氟烴和水蒸汽的供給裝置、 等離子體發生裝置、 反應爐、冷卻罐以及排水處理裝置等構成。
1 . 10  微波催化氧化技術
微波空氣凈化技術是由填料吸附 -解吸技術發展而來 ,是將傳統解吸方式轉變為微波解吸 ,微波能的應用大大減少了能量的消耗,并縮短了解吸時間 ,而且吸附劑經 20次解吸后基本上保持原有吸附能力。微波解吸技術對空氣的凈化基本上與其在水處理中的應用類似 ,解吸原理都可以用“ 容器加熱理論 ” 和“ 體積加熱理論 ” 加以解釋。國內外在水處理中均有此方面的成功應用 ,而在空氣凈化中的應用 ,國外已有小規模的成功范例 ,國內尚處于起步階段。
1 . 11  變壓吸附分離與凈化的技術
變壓吸附分離與凈化的技術 ( PSA)是利用氣體組分在固體吸附材料上吸附特性的差異 ,通過周期性的壓力變化過程實現氣體的分離與凈化。PSA技術是一種物理吸附法。一般采用沸石分子篩作為吸附劑 (吸附容量大、 吸附選擇性強 )。在常溫及一定壓力條件下 ,可把有機廢氣中吸附在沸石分子篩上 ,沒有被吸附的氣體進入下一個工段。吸附有機廢氣以后的吸附劑通過降壓抽真空把有機物解吸 ,使吸附劑再生。再生后的吸附劑重新去吸附廢氣中的有機物 ,以此循環往復。PSA技術是近幾十年來在工業上新崛起的氣體分離技術 ,具有能耗低、 投資少、 流程簡單、 自動化程度高、 產品純度高、 無環境污染等優點 ,是各種氣體分離與回收的較理想的方法 ,極富有市場競爭力 ,在不久的將來將會在工業上迅速推廣。
1 . 12  臭氧分解法
臭氧分解法國內未見報導 ,國外對此技術的研究也還極少。有研究表明 O3可用于凈化地面廢氣 ,即能分解土壤中非揮發性有機物多環芳香有機物、 脂肪族有機物、 酚和殺蟲劑 ,此時用地面氣作 O3載體。另外 , 研究人員還特別注意了 O3 處理后土壤的微生物狀態變化 ,結果顯示細菌減少 99% ,呼吸性能降低。為此 , 研究人員通過用純 O2 和未反應的 O3 的分解控制技術 ,減少 O3 處理對土壤的生態系統的影響 ,從而達到安全的目的。
1 . 13  電化學氧化法
電化學氧化技術是采用一種內裝專利膜和 AgNO3 - HNO3溶液的化學電池 ,在溫度為 50~100℃和常壓的條件下進行氧化 ,在陽極 , VOCs惡臭氣體轉化為 CO2和 H2O;在陰極 ,生成亞硝酸 ,經處理后可循環使用。該法的典型特點: VOCs惡臭物質去除率高,可達 99%以上 ,但運轉費用亦高較高。
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