低濃度VOCs廢氣處理

 敘述了低溫等離子體、光催化和生物處理三種新技術的廢氣凈化原理和國內外研究進展情況,并對其發展前景和研究方向進行了探討。這些新技術不但可有效解決以往的技術難題,而且具有投資少、運行費用低、停留時間短、高效、穩定、反應徹底且無二次污染等,克服了傳統方法中的許多缺陷,將在低濃度VOCs廢氣治理方面發揮重要的作用。隨著經濟的發展和人民生活水平的提高,空氣中的揮發性有機物(VOCs)污染問題日益受到人們的重視。VOCs是指空氣中存在的室溫下蒸氣壓大于70.9lPa,沸點260℃以下的揮發性有機物質,被視為列為粉塵之后的第二大類空氣污染物。1990年美國《清潔空氣法》修正案列舉了189種有毒有害物質,其中大部分是VOCs。1993～2003年我國相繼頒發了《大氣污染物綜合排放標準》、《惡臭污染物排放標準》和《室內空氣質量標準》,因此,開發適用的VOCs治理技術已刻不容緩。由于廢氣中VOCs污染物往往濃度低(<3000mg/m3),氣量大、污染面廣,如熱力焚燒、催化燃燒、冷凝、吸收和吸附等傳統的處理技術往往不適用,不是其處理效果達不到要求,就是投資或運行成本太高,迫使人們尋求和開發新的適用技術。

近年來,低溫等離子體、光催化氧化和生物處理等新技術在處理低濃度VOCs廢氣方面已顯示出其技術優勢和很好的市場前景,本文將介紹這些新技術。


1低溫等離子體技術


1.1原理


等離子體是含有大量電子、離子、分子、中性原子、激發態原子、光子和自由基等組成的物質的第四種形態。其總正負電荷數相等宏觀上呈電中性,但具有導電和受電磁影響的性質,表現出很高的化學活性。根據體系能量狀態、溫度和離子密度,等離子體通常可分為高溫等離子體和低溫等離子體(包括熱等離子體和冷等離子體)。高溫等離子體的電離度接近,各種粒子的溫度幾乎相同,并且體系處于熱力學平衡狀態,它主要應用于受控熱核反應研究方面。低溫等離子體則處于熱力學非平衡狀態,各種粒子溫度并不相同。


低溫等離子體可通過前沿陡、脈寬窄(納秒級)的高壓脈沖放電在常溫常壓下獲得,其中的高能電子和O˙、OH˙等活性粒子可與各種污染物如CO、HC、NOX、SOX、H2S、RSH等發生作用,轉化為CO2、H2O、N2、S、SO2等無害或低害物質,從而使廢氣得到凈化。它可促使一些在通常條件下不易進行的化學反應得以進行,甚至在極短時間內完成,故屬低濃度VOCs治理的前沿技術。


1.2研究進展


低溫等離子體主要是由氣體放電產生的,與現代工業關系密切,應用十分廣泛。按放電方式可分為輝光放電、電暈放電、介質阻擋放電、射頻放電及微波放電等。脈沖電暈是一種新型等離子體技術,屬于冷等離子體,可在常壓、低溫下工作且電子能量適中,因此通常被用于處理VOCs等有害氣體。在20世紀80年代中期由Masuda和Mizuno等首先提出,目前在中國、日本、俄羅斯和加拿大等國家都有研究大氣污染物(HAP)在低溫等離子體化學處理中金屬氧化物的催化活性進行了研究,在沒有MnO2作催化劑時,苯的摩爾轉化率為30%,而在有MnO2作催化劑時,苯的轉化率可高達94%。KangM等[4]在常壓下用等離子體TiO2催化體系去除初始濃度為1000mg/m3的甲苯廢氣,僅有O2等離子體沒有TiO2催化劑時,甲苯去除率為40%;在TiO2/O2等離子體下,去除率達到70%;在O2等離子體中,TiO2負載于γ-Al2O3上時,甲苯的去除率達到80%。這些研究表明,利用等離子體與催化反應的協同效應,以提高有機廢氣凈化率、降低能耗是成功的。近些年,國內學者對低溫等離子體的研究也在深入。于勇等[5]用介質屏蔽降解CF3Br,降解率達到55%。李鍛等[6]將雙極性脈沖高壓引入介質阻擋反應器對氯苯和甲苯的分解特性進行了實驗研究。而以馮春楊[7]、晏乃強[8]和黃立維[9]等人開展了脈沖電暈去除多種有機廢氣的研究,初始濃度為76.8mg/m3,苯的去除率達到61.4%,并對比了線—筒式和線—板式二種反應器對甲苯的去除率,在以Mn、Fe等作為催化劑時,可使去除率提高,催化劑活性的排序為Mn>Fe>Co>Ti>Ni>Pd>Cu>V,在去除各種有機廢氣中,甲醛最易去除,二氯甲烷最難,甲苯、乙醇、丙酮則處于其間。周遠翔[10]等還應用低溫等離子體技術處理粉塵中二英,去除率達81%。因此,低溫等離子體技術應用的可行性和條件試驗已較充分,也有了大量理論基礎;已為這項工藝簡單、適用性強、流程短、能耗低、易于操作和自動化的新技術早日工業化打下了充分的基礎。