近年來隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 ,化工企業(yè)的大量新起 ,在加上環(huán)保投資力度的不夠 ,導(dǎo)致了大量工業(yè)有機(jī)廢氣的排放 ,使得大氣環(huán)境質(zhì)量下降 ,給人體健康來嚴(yán)重危害 ,給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失 ,因此 ,需要加大對(duì)有機(jī)廢氣的處理。對(duì)有機(jī)廢氣的治理 ,人們?cè)缇陀醒芯?,而且已經(jīng)開發(fā)出一些卓有成效的控制技術(shù) ,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(shù)有生物膜法、 電暈法、 等離子體分解法等。本文將對(duì)上述方法作較為詳細(xì)的介紹。
1.熱破壞法
熱破壞是目前應(yīng)用比較廣泛也是研究較多的有機(jī)廢氣治理方法,特別是對(duì)低濃度有機(jī)廢氣,有機(jī)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(jī)物在氣流中直接燃燒和輔助燃料燃燒的方法。多數(shù)情況下,有機(jī)物濃度較低,不足以在沒有輔助燃料時(shí)燃燒。直接火焰燃燒在適當(dāng)溫度和保留時(shí)間條件下,可以達(dá)到99%的熱處理效率。
催化燃燒是有機(jī)物在氣流中被加熱,在催化床層作用下,加快有機(jī)物化學(xué)反應(yīng)(或破壞效率的方法) ,催化劑的存在使有機(jī)物在熱破壞時(shí)比直接燃燒法需要更少的保留時(shí)間和更低的溫度。催化劑在催化燃燒系統(tǒng)中起著重要作用。用于有機(jī)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(shù)成熟,而且催化活性高,但價(jià)格比較昂貴而且在處理鹵素有機(jī)物,含N、S、P等元素時(shí),有機(jī)物易發(fā)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(guó)內(nèi)還是國(guó)外進(jìn)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(jī)醇廢氣。
由于有機(jī)廢氣中常出現(xiàn)雜質(zhì),很容易引起催化劑中毒,導(dǎo)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(jié)省催化劑,增大催化劑有效面積,使催化劑具有一定機(jī)械強(qiáng)度,減少燒結(jié),提高催化活性和穩(wěn)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(wǎng)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(duì)催化燃燒而言,今后研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)仍將是探索高效高活性的催化劑及其載體,催化氧化機(jī)理。
2.液體吸收法
液體吸收法是利用液體吸收液與有機(jī)廢氣的相似相溶性原理而達(dá)到處理有機(jī)廢氣的目的。通常為強(qiáng)化吸收效果用液體石油類物質(zhì)、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(huán)糊精作為有機(jī)鹵化物的吸收材料,根據(jù)環(huán)糊精對(duì)有機(jī)鹵化物親合性極強(qiáng)的原理,將環(huán)糊精的水溶液作為吸收劑對(duì)有機(jī)鹵化物氣體進(jìn)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(jié)省能源,可反復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)。
3.吸附法
吸附法的應(yīng)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(yōu)點(diǎn),有很好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。缺點(diǎn)是設(shè)備龐大,流程復(fù)雜,當(dāng)廢氣中有膠粒物質(zhì)或其他雜質(zhì)時(shí),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(jī)物(VOCs)的處理。決定吸附法處理VOCs的關(guān)鍵是吸附劑,吸附劑應(yīng)具有密集的細(xì)孔結(jié)構(gòu)、內(nèi)表面積大、吸附性能好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不易破碎、對(duì)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(shù)采用活性炭,其去除效率高。活性炭有粒狀和纖維狀兩類。顆粒狀活性炭結(jié)構(gòu)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(nèi)擴(kuò)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(shù)是1 . 5～3nm的微孔,由于小孔都向外,氣體擴(kuò)散距離短,因而吸附脫附快。經(jīng)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。
4.冷凝法
冷凝法是利用物質(zhì)在不同溫度下具有不同飽和蒸汽壓這一性質(zhì),采用降低系統(tǒng)溫度或提高系統(tǒng)壓力,使處于蒸汽狀態(tài)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(shí)現(xiàn),也可在恒定壓力的條件下用降低溫度的辦法來實(shí)現(xiàn),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(dá)到的。凈化要求愈高,所需冷卻的溫度愈低,必要時(shí)還得增大壓力,這樣就會(huì)增加處理的難度和費(fèi)用。因而,冷凝法往往與吸附、燃燒和其他凈化手段聯(lián)合使用,以回收有價(jià)值的產(chǎn)品。
5.生物法
生物凈化實(shí)質(zhì)上是一種氧化分解過程:附著在多孔、潮濕介質(zhì)上的活性微生物以廢氣中有機(jī)組分作為其生命活動(dòng)的能源或養(yǎng)分,轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的無機(jī)物(CO2、H2O)或細(xì)胞組成物質(zhì)?，F(xiàn)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。
5.1 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(zhì))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(yíng)養(yǎng)元素(如NH4NO3和K2HPO3 ) ,當(dāng)具有一定濕度的廢氣進(jìn)入生物濾床,通過約0 . 5～
5.2 生物滴濾床
生物滴濾池與生物濾池的結(jié)構(gòu)相似 ,不同之處在于其頂部設(shè)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(huán)、 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(shí) ,廢氣中的污染物被微生物降解 ,生物滴濾池在營(yíng)養(yǎng)供給和微生物生長(zhǎng)環(huán)境的調(diào)節(jié)方面具有優(yōu)勢(shì) ,可承受比生物濾池更大的污染負(fù)荷 ,同時(shí)具有很大的緩沖能力 ,操作條件也易于控制 , 可通過調(diào)節(jié)循環(huán)液的 pH, 加入 K2HPO4、 NH4NO3等物質(zhì)得以實(shí)現(xiàn)。
5.3 生物洗滌塔
生物洗滌塔通常由一個(gè)裝有填料的洗滌器和一個(gè)具有活性污泥的生物反應(yīng)器構(gòu)成。洗滌器里的噴淋裝置將循環(huán)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(zhuǎn)入液相 ,從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)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(tài)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(dòng)的 ,這有利于控制反應(yīng)條件 ,便于添加營(yíng)養(yǎng)液、 緩沖劑和更換液體 ,除去多余的產(chǎn)物。
不同成分、 濃度及氣量的氣態(tài)污染物各有其有效的生物凈化系統(tǒng)。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(duì)于氣量大、 濃度低的廢氣可采用生物過濾床;而對(duì)于負(fù)荷較高以及污染物降解后會(huì)生成酸性物質(zhì)的則以生物滴濾床為好。
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(jí) )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(chǎn)生大量高能電子和 O、 H0等活性粒子 ,與有害分子進(jìn)行氧化降解反應(yīng) ,使污染物最終轉(zhuǎn)化為無害物。1988年以來 ,美國(guó)就開展了電暈法降解低濃度的揮發(fā)性有機(jī)物的研究。研究表明在環(huán)境通常溫度和壓力下 ,該法能達(dá)到較好的效率。
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(zhì)、膜的特性與膜兩邊的氣體分壓有關(guān)。膜分離法凈化有機(jī)廢氣是根據(jù)有機(jī)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(shù)用于氣體凈化上的優(yōu)點(diǎn)是投資費(fèi)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(jiǎn)單、 控制方便、 操作彈性大。
8.光分解法
光分解 VOCs有兩種形式:一種是直接光照在波長(zhǎng)合適時(shí) , 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(jī)氯化物和氟氯烴在 185nm紫外光照射下 ,兩種物質(zhì)都能在極短的時(shí)間內(nèi)分解 ,鹵代物的分解速度大于氟氯烴;三氯乙烯幾秒鐘內(nèi)即能分解成氧氣、 氯氣、 氟氣等。光分解可產(chǎn)生中間產(chǎn)物 ,可通過氫氧化鈉溶液處理或延長(zhǎng)滯留時(shí)間等手段最終去除。
光催化降解技術(shù)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(jī)污染物氧化成 CO2 和 H2O 。用 Ti O2 催化劑時(shí)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(yè)上的應(yīng)用還待開發(fā)。
9.等離子體分解法
等離子體分解氯氟烴的技術(shù)已到實(shí)用階段 ,植松信行研究了利用等離子體的化學(xué)作用分解氯氟烴之類難分解氣體為無害物的應(yīng)用。此技術(shù)可在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大量的氯氟烴等氣體的處理。此過程采用二個(gè)系統(tǒng) ,一系統(tǒng)利用高頻等離子體急速加熱 ,使溫度達(dá) 10000℃ 利用等離子體的化學(xué)作用與水蒸汽接觸進(jìn)行分解的超高溫加水系統(tǒng);第二個(gè)系統(tǒng)是將高溫分解的排氣急冷到 80℃下的排氣系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由氯氟烴和水蒸汽的供給裝置、 等離子體發(fā)生裝置、 反應(yīng)爐、冷卻罐以及排水處理裝置等構(gòu)成。
10.微波催化氧化技術(shù)
微波空氣凈化技術(shù)是由填料吸附 -解吸技術(shù)發(fā)展而來 ,是將傳統(tǒng)解吸方式轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒉ń馕?,微波能的應(yīng)用大大減少了能量的消耗,并縮短了解吸時(shí)間 ,而且吸附劑經(jīng) 20次解吸后基本上保持原有吸附能力。微波解吸技術(shù)對(duì)空氣的凈化基本上與其在水處理中的應(yīng)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(guó)內(nèi)外在水處理中均有此方面的成功應(yīng)用 ,而在空氣凈化中的應(yīng)用 ,國(guó)外已有小規(guī)模的成功范例 ,國(guó)內(nèi)尚處于起步階段。
11.變壓吸附分離與凈化的技術(shù)
變壓吸附分離與凈化的技術(shù) ( 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(shí)現(xiàn)氣體的分離與凈化。PSA技術(shù)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(qiáng) )。在常溫及一定壓力條件下 ,可把有機(jī)廢氣中吸附在沸石分子篩上 ,沒有被吸附的氣體進(jìn)入下一個(gè)工段。吸附有機(jī)廢氣以后的吸附劑通過降壓抽真空把有機(jī)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(jī)物 ,以此循環(huán)往復(fù)。PSA技術(shù)是近幾十年來在工業(yè)上新崛起的氣體分離技術(shù) ,具有能耗低、 投資少、 流程簡(jiǎn)單、 自動(dòng)化程度高、 產(chǎn)品純度高、 無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn) ,是各種氣體分離與回收的較理想的方法 ,極富有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力 ,在不久的將來將會(huì)在工業(yè)上迅速推廣。
12.臭氧分解法
13.電化學(xué)氧化法
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