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低溫等離子光觸媒催化處理VOC廢氣研究與應用

作者:小編 時(shí)間:2020-10-27 08:59:38 點(diǎn)擊:

低溫等離子光觸媒催化處理VOC廢氣研究與應用
近年來(lái),隨著(zhù)空氣污染的加重,國內外關(guān)于VOC排放的法律法規也越發(fā)嚴格,但由于治理費用高、行政監管所需的 VOC 排放標準缺失、企業(yè)對 VOC 排放和控制的重視程度不足等各種因素,許多工廠(chǎng)VOC廢氣直接排入大氣,對環(huán)境質(zhì)量造成嚴重傷害。

一、低溫等離子光觸媒催化在VOC廢氣處理

低溫等離子體技術(shù)處理污染物的原理為在外加電場(chǎng)的作用下,介質(zhì)放電產(chǎn)生的大量高能電子轟擊污染物分子,使其電離、解離和激發(fā);然后引發(fā)一系列復雜的物理、化學(xué)反應,使復雜大分子污染物轉變?yōu)楹?jiǎn)單小分子安全物質(zhì),或使有毒有害物質(zhì)轉變成無(wú)毒無(wú)害或低毒低害物質(zhì),從而使污染物得以降解去除。低溫等離子體技術(shù)對大氣量、低濃度的污染氣體有較高的處理效率,是性?xún)r(jià)比非常高的有效處理技術(shù)。

該方法具有效率高、成本低、設備適應性強、占地面積小、便于操作控制、開(kāi)停方便、與噴漆工藝同步、可根據污染物源強和排放要求進(jìn)行升級等優(yōu)點(diǎn)。作為環(huán)境污染處理領(lǐng)域中的一項具有極強潛在優(yōu)勢的高新技術(shù),等離子體受到了國內外相關(guān)學(xué)科界的高度關(guān)注。

單一等離子體處理有機廢氣效率較高且副產(chǎn)物較少,不會(huì )造成二次污染,但其較高的能耗和較低的能量效率是目前需要攻克的難題,等離子復合光催化可以彌補其缺點(diǎn)。等離子體催化劑選用TiO2,其為寬禁帶(Eg=3.2eV)半導體化合物,只有波長(cháng)較短的太陽(yáng)光才能被吸收,激發(fā)其活性,所以設計反應裝置的時(shí)候需要添加紫外光源。

二、低溫等離子光觸媒催化在VOC技術(shù)分析

1、吸附技術(shù)

吸附技術(shù)是利用有較大比表面積的固體吸附劑將廢氣中的VOC捕獲,從而使有害成分從氣體中分離出來(lái),當吸附達到飽和后采用水蒸氣或熱風(fēng)等作為脫附劑,將吸附劑表面的VOC 脫附并加以回收。

2、冷凝技術(shù)

冷凝技術(shù)是利用氣態(tài)污染物具有不同的飽和蒸氣壓,通過(guò)降低溫度或加大壓力,使 VOC 冷凝成液滴 而從氣體中分離出來(lái),借助不同的冷凝溫度實(shí)現污染 物的逐步分離。

3、膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)利用不同氣體分子通過(guò)高分子膜的 溶解擴散速度不同,在一定壓力下實(shí)現分離目的。膜兩側氣體的分壓差是膜分離的驅動(dòng)力,可通過(guò)壓縮進(jìn) 氣或在膜滲透側用真空泵來(lái)實(shí)現,因此,膜分離過(guò)程 常常與冷凝或壓縮過(guò)程集成。

4、燃燒治理技術(shù)和催化燃燒技術(shù)

直接燃燒技術(shù)根據熱量的回收方式,可分為直接焚燒法和蓄熱焚燒法。直接焚燒法即將有機廢氣加熱到一定溫度下( 800℃左右),使其完全氧化分解,生成 CO2和 H2O 等。蓄熱焚燒法即將燃燒尾氣中的熱量蓄積,用于加熱待處理廢氣,節能 效果明顯,此方法的去除效率可達99% 以上,但燃 燒不完全時(shí)容易產(chǎn)生氮氧化物,造成二次污染,該法適用于汽車(chē)、家電等烤漆行業(yè)高溫和高濃度的有機廢氣治理。

催化燃燒技術(shù)通過(guò)在燃燒系統中添加催化劑,使可燃性的VOC在催化劑表面發(fā)生非均相氧化反應,于300~500 ℃左右將VOC 催化氧化分解為 CO2 和 H2O 等。催化燃燒較熱力焚燒溫度低,可以顯著(zhù)降低設備運行費用,但當廢氣中含有能夠引起催化劑中毒的硫、鹵素有機化合物時(shí),不宜采用催化燃燒法

5、光觸媒催化降解技術(shù)

納米TiO2光觸媒催化降解具有納米半導體粒子的量子尺寸效應使其導帶和價(jià)帶能級變?yōu)槿芗?,能隙變寬,導帶變負,而價(jià)帶寬變得更正,即在光觸媒催化作用下具有很強的氧化還原能力,從而提高了其光觸媒催化活性。

波長(cháng)較短的紫外線(xiàn)其光子能量最強,當環(huán)境中的紫外光能量等級比大多數廢氣物質(zhì)的分子結合能強時(shí),可將污染物分子鍵裂解為呈游離狀態(tài)的離子,且波長(cháng)在200nm以下的短波長(cháng)紫外線(xiàn)能分解O2分子,生成臭氧O3(經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗驗證,選用波長(cháng)185nm)。

呈游離狀態(tài)的污染物離子極易與O3產(chǎn)生氧化反應,生成簡(jiǎn)單、低害或無(wú)害的物質(zhì),如 CO2、H2O 等,以達到廢氣凈化處理的目的。用紫外光解方式獲得的臭氧,因獲得復合離子光子的能量后,能極為迅速地分解,分解后產(chǎn)生氧化性更強的自由基O、OH和H2O。

自由基 O、OH 和 H2O 與惡臭氣體發(fā)生一系列協(xié)同、連鎖反應,惡臭氣體最終被氧化降解為低分子物質(zhì)、CO2 和 H2O,而達到最終的除臭目的。研究過(guò)程中,進(jìn)一步發(fā)現當惡臭氣體的相對分子質(zhì)量越大時(shí),紫外光解氧化效果就越明顯。在特種能量等級的紫外線(xiàn)作用下,大多數化學(xué)物質(zhì)都能得到高效分解。

6生物降解技術(shù)

生物降解技術(shù)即將含VOC的廢氣經(jīng)傳質(zhì)過(guò)程,進(jìn)入微生物懸液或生物膜中,在好氧條件下利用高效降解菌種將廢氣中的 VOC降解為 CO2 和 H2O 等。生物法凈化VOC 廢氣的關(guān)鍵在于微生物的馴化及高效降解菌的培養。

目前研究出的生物菌種對有機物的消化具有很強的專(zhuān)一性,只能處理包括醇類(lèi)、醛類(lèi)、酮類(lèi)、酯類(lèi)、單環(huán)芳烴以及氨和硫化氫等單組分且易生物降解的有機化合物,其對單一 VOC 去除能力的大小順序為:醇、醛、酮等含氧烴類(lèi) > BTEX 等單環(huán)芳香烴 >鹵代烴,對單組分單環(huán)芳烴去除能力的大小順序為:甲苯 > 苯 > 乙苯或二甲苯 > 氯苯或二氯苯。在處理混合組分的 VOC 時(shí),由于各組分間存在的競爭和抑制作用會(huì )出現降解歧視現象,因此,生物法治理有機廢氣的普適性較差。

7、低溫等離子體凈化技術(shù)

低溫等離子體高能態(tài)的粒子構成低溫等離子體高能態(tài)的粒子構成。低溫等離子體降解VOCs原理在外電場(chǎng)的作用下,介質(zhì)放電產(chǎn)生的大量攜能電子轟擊 VOC 分子,使其電離解離和激發(fā)、引發(fā)系列復雜的物理化學(xué)反應,使復雜的大相對分子質(zhì)量的有機廢氣降解為簡(jiǎn)單的小相對分子質(zhì)量物質(zhì),或是有毒有害物質(zhì)轉化為無(wú)毒無(wú)害或低害的物質(zhì),從而使VOC降解去除。攜能電子的平均能量約10eV,適當控制反應條件可實(shí)現一般難以實(shí)現或速度很快的化學(xué)反應。

三、光觸媒催化VOC處理方法的優(yōu)劣

低溫等離子體光催化協(xié)同技術(shù)具有其他凈化技術(shù)不可比擬的優(yōu)點(diǎn),低溫等離子體法處理 VOC 的技術(shù)與傳統方法相比具有很多優(yōu)點(diǎn):一是,可在常溫常壓下操作;二是,有機化合物最終的產(chǎn)物為 CO2,CO,H2O。若有機物是氯代物,則產(chǎn)物中還應加上氯化物,而無(wú)中間產(chǎn)物降低了,有機物的毒性,同時(shí)避免了其他方法中的后期處理問(wèn)題;三是,運行費用低;四是;VOC的去除率高,對 VOC的適應性運行管理比較方便。

針對工業(yè)上氣量大,濃度低,且污染物大都無(wú)回收價(jià)值的制造行業(yè)有機廢氣 VOC,需要有一種更有效、徹底、操作更簡(jiǎn)便的處理方法,最大限度地減少運行條件的限制,低溫等離子體法的出現正是為了順應這種要求,并越來(lái)越受到國內外的重視。隨著(zhù)研究的不斷深入,低溫等離子體光催化法必將向著(zhù)規?;较虬l(fā)展。

結束語(yǔ):綜上所述,隨著(zhù)新材料和新技術(shù)的逐步應用,新型治理技術(shù)將更加成熟,但其投入一般較高,在中小企業(yè)較多中受到限制。因此,高效率、低成本、低能耗的治理技術(shù)是下階段發(fā)展的重點(diǎn)。

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