VOCs技術(shù)簡(jiǎn)介

1、VOCs技術(shù)簡(jiǎn)介：1. 引言目前，隨著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展和人民生活水平的提高，在全球范圍內(nèi)都不同程度地出現(xiàn)了環(huán)境污染問(wèn)題，特別是在發(fā)展中國(guó)家。據(jù)世界衛(wèi)生組織調(diào)查稱，人類的癌癥、消化系統(tǒng)疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、呼吸系統(tǒng)疾病等都與環(huán)境因素密切相關(guān)。因此，環(huán)境污染問(wèn)題已經(jīng)成為世界各個(gè)國(guó)家的共同課題之一。人需要呼吸空氣來(lái)維持生命。一個(gè)成年人每天的呼吸大約2萬(wàn)多次，吸入空氣達(dá)1520立方米。因此，被污染了的空氣對(duì)人體的健康有直接的影響?，F(xiàn)階段我國(guó)生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化首先表現(xiàn)在大氣環(huán)境方面，尤其是工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和日常生活中排放出了大量的有機(jī)廢氣，這些物質(zhì)使大氣環(huán)境質(zhì)量日漸惡化，并且已經(jīng)造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)后

2、果。鑒于人們對(duì)有機(jī)廢氣危害的逐漸認(rèn)識(shí)，自20世紀(jì)70年代以來(lái)，中國(guó)政府加強(qiáng)了對(duì)環(huán)保工作的力度，頒布并采取了一些防治有機(jī)廢氣的政策和措施，以減少有機(jī)廢氣的排放，并收到了一定的效果。但從總體來(lái)看，大氣環(huán)境污染和破壞還沒(méi)有完全被控制。目前，我國(guó)年排放VOCs約1800萬(wàn)噸，重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃更是提出，“十二五”期間將針對(duì)石化、有機(jī)化工、合成材料、化學(xué)藥品原藥制造、塑料產(chǎn)品制造、裝備制造涂裝等重點(diǎn)行業(yè)，完善VOCs的污染防治體系，以期達(dá)到改善空氣質(zhì)量和污染減排的目的。由此可見，中國(guó)的環(huán)境保護(hù)仍任重而道遠(yuǎn)。2. VOCs的來(lái)源及危害VOCs是揮發(fā)性有機(jī)化合物（volatile organ

3、ic compounds）的英文縮寫。世界衛(wèi)生組織（WHO）對(duì)其的定義為，熔點(diǎn)低于室溫、沸點(diǎn)在小于260 ，常溫下飽和蒸氣壓大于70.91 Pa、并以氣態(tài)形式存在于空氣中的一類化合物的總稱。我國(guó)沈?qū)W優(yōu)等（2001年）對(duì)VOCs定義為，沸點(diǎn)在50260之間、常溫下飽和蒸氣壓大于133.322 Pa的易揮發(fā)性化合物。常見的VOCs種類及成分見表1-1。表1-1 常見的VOCs種類及成分Table 1-1 Conventional category and composition of VOCs種類成分脂肪烴甲烷、乙烷、丙烷、環(huán)己烷、甲基環(huán)戊烷、己烷、2-甲基戊烷、2-甲基己烷；芳香烴苯、甲苯、乙苯

4、、二甲苯、正丙基苯、苯乙烯、1,2,4-三甲基苯；鹵代類化合物三氯氟甲烷、二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、1,1,1-三氯乙烷、三氯乙烯、四氯乙烷、氯苯、1,4-二氯苯；酚、醚、環(huán)氧類化合物甲酚、苯酚、乙醚、環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷酮、醛、醇、多元醇丙酮、丁酮、環(huán)己酮、甲醛、乙醛、甲醇、異丁醇腈、胺類化合物丙烯腈、二甲基甲酰胺酸、酯類化合物乙酸、醋酸乙酯、醋酸丁酯多環(huán)芳烴萘、菲、苯并芘其它甲基溴、氯氟烴、氯氟碳化物2.1 VOCs的來(lái)源VOCs的排放源及其污染物排放量的研究是控制大氣中VOCs的根本，而VOCs氣體的來(lái)源很廣泛。典型的VOCs排放源可分為人為排放源（包括固定源與移動(dòng)源）和自然排放源（包括生

5、物源與非生物源）兩類，其中以人為排放源為主，多半為石油化工相關(guān)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程、產(chǎn)品消費(fèi)行為以及機(jī)動(dòng)車尾氣造成。通過(guò)分析總結(jié)，VOCs主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：（1）石油化工廠排出的工藝尾氣，如石油煉制工藝，石油化工氧化工藝，石油化工儲(chǔ)罐生產(chǎn)工藝；（2）石油、煤炭、天然氣等的開采和儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中可有大量VOCs氣體產(chǎn)生；（3）煤、石油、石油制品、天然氣、木材、煙草燃燒時(shí)的不完全燃燒產(chǎn)物，廢棄物焚燒時(shí)產(chǎn)生的煙氣，機(jī)動(dòng)車排放的尾氣中含有的未完全燃燒的烴類物質(zhì)；（4）室內(nèi)裝飾、裝修材料如油漆、噴漆及其溶劑、木材防腐劑、涂料、膠合板等常溫下可釋放出苯、甲苯、甲醛、酚類、二甲苯、甲醛等多種揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)；（5）

6、日常生活中使用的化妝品，有機(jī)農(nóng)藥、除臭劑、消毒劑、防腐劑、各種洗滌劑的加工和使用過(guò)程中可產(chǎn)生酚類、醚類、多環(huán)芳烴等揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)；（6）各種合成材料、有機(jī)粘合劑及其他有機(jī)制品遇到高溫時(shí)氧化和裂解，可產(chǎn)生部分低分子有機(jī)污染物；（7）淀粉、脂肪、蛋白質(zhì)、纖維素、糖類等氧化與分解時(shí)產(chǎn)生部分有機(jī)污染物。另外，根據(jù)調(diào)研結(jié)果，我國(guó)工業(yè)VOCs排放源的行業(yè)分布情況見圖1-1。圖1-1 我國(guó)工業(yè)VOCs 排放源的行業(yè)分布情況Fig.1-1 The types of industrial VOCs emission cases2.2 VOCs的危害VOCs種類眾多，其對(duì)人類的健康和生存環(huán)境的危害主要體現(xiàn)以下幾個(gè)

7、方面：（1）大多數(shù)VOCs具有刺激性氣味或臭味，可引起人們感官上的不愉快，嚴(yán)重降低人們的生活質(zhì)量。惡臭氣體指一切刺激嗅覺(jué)器官并引起人們不愉快的氣體物質(zhì)。（2）VOCs成分復(fù)雜，有特殊氣味且具有滲透、揮發(fā)及脂溶等特性，可導(dǎo)致人體出現(xiàn)諸多的不適癥狀。還具有毒性、刺激性及致畸致癌作用，尤其是苯、甲苯、二甲苯及甲醛對(duì)人體健康的危害最大，長(zhǎng)期接觸會(huì)使人患上貧血癥與白血病。另外，VOCs氣體還可導(dǎo)致呼吸道、腎、肺、肝、神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)及造血系統(tǒng)的病變。隨著VOCs濃度的增加，人體會(huì)出現(xiàn)惡心、頭痛、抽搐、昏迷等癥狀。（3）VOCs多半具有光化學(xué)反應(yīng)性，在陽(yáng)光照射下，VOCs會(huì)與大氣中的NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，

8、形成二次污染物（如：臭氧等）或強(qiáng)化學(xué)活性的中間產(chǎn)物（如：自由基等），從而增加煙霧及臭氧的地表濃度，會(huì)對(duì)人造成生命危險(xiǎn)，同時(shí)也會(huì)危害農(nóng)作物的生長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致農(nóng)作物的死亡。由光化學(xué)反應(yīng)所造成的煙霧，除了能降低能見度之外，所產(chǎn)生的臭氧、過(guò)氧乙酰硝酸酯（PAN）、過(guò)氧苯酰硝酸酯（PBN）、醛類等物質(zhì)可刺激人的眼睛和呼吸系統(tǒng)，危害人的身體健康，倫敦、東京等城市都相繼出現(xiàn)過(guò)光化學(xué)煙霧污染事件。（4）某些VOCs易燃，如苯、甲苯、丙酮、二甲基胺及硫代烴等，這些物質(zhì)的排放濃度較高時(shí)如果遇到靜電火花或其他火源，容易引起火災(zāi)。近年來(lái)由于VOCs造成的火災(zāi)及爆炸事故時(shí)有發(fā)生，尤其是常發(fā)生在石油化工企業(yè)。（5）部分VO

9、Cs可破壞臭氧層，如氟氯烴物質(zhì)。當(dāng)其受到來(lái)自太陽(yáng)的紫外輻射時(shí)，可發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氯原子，從而對(duì)臭氧層中的臭氧進(jìn)行催化破壞。臭氧量的減少以及臭氧層的破壞使到達(dá)地面的紫外線輻射量增加。紫外線對(duì)人類皮膚、眼睛及免疫系統(tǒng)有較大的危害。3 傳統(tǒng)VOCs控制技術(shù)簡(jiǎn)介傳統(tǒng)的VOCs控制技術(shù)基本可分為兩大類：回收技術(shù)和銷毀技術(shù)，如圖1-2所示?；厥占夹g(shù)是根據(jù)VOCs本身的性質(zhì)，通過(guò)物理方法，在一定的溫度和壓力下，使用吸收、吸附劑及選擇性滲透膜等實(shí)現(xiàn)VOCs的分離，主要包括吸收法、吸附法、冷凝法及膜分離法。而銷毀技術(shù)則是采用化學(xué)或生物方法，使VOCs氣體分子轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿拥乃投趸迹饕ㄈ紵ê蜕锓?/p>

10、。圖1-2 傳統(tǒng)VOCs治理技術(shù)Fig.1-2 Traditional VOCs control technologies3.1 吸收法吸收法凈化VOCs的方法是利用液態(tài)吸收劑處理混合氣體，混合氣體中的一種或幾種氣體組分溶解于液體中，或與吸收液中的組分發(fā)生選擇性化學(xué)反應(yīng)，除去其中一種或幾種氣體的過(guò)程，從而達(dá)到控制大氣污染的一種方法。此方法適合于大氣量、中等濃度的含VOCs廢氣的處理。其中，吸收劑不同可以吸收不同的有害氣體，且需具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）對(duì)被除去的VOCs有較大的溶解性；（2）蒸汽壓低；（3）易解吸；（4）化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且無(wú)毒無(wú)害；（5）分子量低。吸收法使用的吸收設(shè)備叫吸收器、凈化器

11、或洗滌器。許多濕式除塵設(shè)備，都可以用于凈化有害氣體，當(dāng)作吸收設(shè)備時(shí)，分別稱為噴淋洗滌器、泡沫洗滌器、文氏管洗滌器等。吸收法的工藝流程和濕法除塵工藝近似，如圖1-3，只是濕法除塵工藝用清水，而吸收法凈化有害氣體要用溶劑或溶液。圖1-3 VOCs吸收工藝Fig.1-3 Absorption process for VOCs removal吸收法的優(yōu)點(diǎn)是工藝流程簡(jiǎn)單，幾乎可以處理各種有害氣體，適用范圍很廣，并可回收有價(jià)值的產(chǎn)品。缺點(diǎn)是對(duì)設(shè)備要求較高，設(shè)備易受腐蝕，吸收效率有時(shí)不高，吸收劑需要定期更換。 3.2 吸附法吸附法是利用多孔性固體吸附劑處理含VOCs的氣態(tài)混合物，利用固體表面的不平衡的化學(xué)鍵

12、力或分子引力，使其中的一種或多種組分濃縮于固體表面上，以達(dá)到分離的目的。吸附法已廣泛應(yīng)用于石油化工、環(huán)境工程等領(lǐng)域，成為一種重要的治理技術(shù)，主要用于治理中低濃度VOCs廢氣，處理工藝見圖1-4。常用的吸附劑有活性炭、活性炭纖維、活性氧化鋁、分子篩以及沸石等。影響VOCs吸附諸多因素中，起決定性作用的是吸附劑。研究表明，活性炭吸附VOCs性能最佳，是最常見的吸附劑。在一般情況下，吸附劑要具有較大的比表面積、密集的孔結(jié)構(gòu)，吸附性能好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐高溫高壓、耐酸堿、對(duì)氣體阻力小、不易破碎。吸附法的優(yōu)點(diǎn)是凈化效率高，無(wú)二次污染，可回收有用成分，工藝成熟，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，且能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；缺點(diǎn)是

13、由于吸附容量受限，不適于處理高濃度有機(jī)氣體，設(shè)備龐大，費(fèi)用相對(duì)較高，當(dāng)廢氣中有膠粒物質(zhì)或其它雜質(zhì)時(shí)，吸附劑易失效，同時(shí)吸附劑需要定期更換和再生。圖1-4 VOCs吸附工藝Fig.1-4 Adsorption process for VOCs removal3.3 燃燒法通過(guò)燃燒方法將VOCs轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水以及氯化氫等無(wú)毒或毒性小的無(wú)機(jī)物的過(guò)程，稱為燃燒凈化法，其化學(xué)作用主要是燃燒氧化和高溫下的熱分解作用。此方法適用于治理可燃的或在高溫情況下可以分解的有害氣體，并廣泛應(yīng)用于化工、噴漆、絕緣材料等行業(yè)的生產(chǎn)裝置中所排出的有機(jī)廢氣。燃燒法可分為直接燃燒、熱力燃燒和催化燃燒三種，其工藝流程和工藝性

14、能分別見圖1-5和表1-2。a) 直接燃燒法b) 熱力燃燒法（*視情況而定）c) 催化燃燒法圖1-5 燃燒法處理VOCs工藝Fig.1-5 Combustion process for VOCs removal表1-2燃燒法工藝性能Table 1-2 Performances of combustion process燃燒工藝直接燃燒法熱力燃燒法催化燃燒法適用范圍較高濃度和較高熱值低濃度低濃度燃燒溫度/>1100700870300450處理效率/%>95>95>95最終產(chǎn)物CO2、H2OCO2、H2OCO2、H2O投資較低低高運(yùn)行費(fèi)用低高較低其他易爆炸、熱能浪費(fèi)且易產(chǎn)生

15、二次污染回收熱能催化劑易中毒，進(jìn)氣組分要求較嚴(yán)格燃燒法的優(yōu)點(diǎn)是去除率較高，一般在95%以上；缺點(diǎn)是直接燃燒法容易發(fā)生爆炸，浪費(fèi)熱能且易產(chǎn)生二次污染；熱力燃燒法運(yùn)行費(fèi)用較高；催化燃燒法催化劑易中毒，對(duì)進(jìn)氣組分要求較嚴(yán)格，且催化劑需要定期更換。3.4 冷凝法冷凝法是利用VOCs在不同的溫度和壓力下具有不同的飽和蒸汽壓，通過(guò)降低溫度和增加壓力，使處于蒸氣狀態(tài)的污染物凝結(jié)出來(lái)，使其得以凈化和回收。該法適用于處理較高濃度的有機(jī)蒸氣。其中，VOCs的去除率與初始濃度和冷卻溫度有關(guān)。在一定溫度下，初始濃度越大，其去除率越高。在理論上冷凝法對(duì)VOCs的出去率很高，但是當(dāng)污染氣體濃度較低時(shí)，需采取進(jìn)一步的冷凍措

16、施，這使運(yùn)行成本大大提高。故冷凝法常作為其他方法凈化VOCs的前處理，以降低有機(jī)負(fù)荷，回收有機(jī)物。其工藝流程見圖1-6。優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備工藝簡(jiǎn)單，能耗低，可回收有用成分；缺點(diǎn)是不適宜處理低濃度的有機(jī)氣體，對(duì)入口VOCs要求嚴(yán)格，冷卻溫度較低時(shí)，耗電量較大。圖1-6 冷凝法處理VOCs工藝Fig.1-6 Condensation process for VOCs removal3.5 生物法生物法是在適宜的環(huán)境條件下，利用微生物的生命活動(dòng)將VOCs氣體中的有害物質(zhì)轉(zhuǎn)變成簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物（CO2、H2O）及細(xì)胞物質(zhì)等的過(guò)程。常見的生物法處理VOCS的方法有：生物洗滌法、生物過(guò)濾法和生物滴濾法，其工藝流程見圖

17、1-7。 a) 生物洗滌法 b) 生物過(guò)濾法 c) 生物滴濾法圖1-7 生物法處理VOCS工藝Fig.1-7 Biological treatment technologies for VOCs生物法的優(yōu)點(diǎn)是去除率高，投資少，設(shè)備簡(jiǎn)單，運(yùn)行費(fèi)用低，較少形成二次污染，應(yīng)用范圍廣；缺點(diǎn)：微生物對(duì)環(huán)境要求較高，壓損較大，抗沖擊負(fù)荷能力較差，設(shè)備體積大，不適用于高鹵素化合物的去除。3.6 膜分離法膜分離法是利用在壓力差的推動(dòng)下，氣體透過(guò)膜的速率不同，從而將氣體混合物分離的過(guò)程。該法適用于處理有機(jī)物濃度較高的廢氣，回收效率可以達(dá)到97%以上；且由于膜分離過(guò)程是一種純物理過(guò)程，具有無(wú)相變化，節(jié)能、體積小、

18、可拆分等特點(diǎn)，使膜廣泛應(yīng)用在制藥、化工、水處理工藝過(guò)程及環(huán)保行業(yè)中。對(duì)不同組成的VOCs混合氣體，根據(jù)其有機(jī)物的分子量，選擇不同的膜，選擇合適的膜工藝，從而達(dá)到最好的膜通量和截留率，進(jìn)而可提高生產(chǎn)收率、減少投資規(guī)模和運(yùn)行成本。膜分離法的工藝流程見圖1-8。圖1-8 膜分離法處理VOCs工藝Fig.1-8 Membrane separation process for VOCs removal膜分離法的優(yōu)點(diǎn)是選擇性好，適應(yīng)性強(qiáng)，能耗低，無(wú)相態(tài)變化，可回收有用成分；缺點(diǎn)是投資大，對(duì)膜的依賴性強(qiáng)；對(duì)膜的表面控制要求較高，膜分離裝置操作要求高。目前，國(guó)內(nèi)外采用的有機(jī)廢氣處理方法包括吸收、吸附、冷凝、燃燒和生物技術(shù)等以上介紹的方法，但其都存在投資大、周期長(zhǎng)、運(yùn)行費(fèi)用高等缺點(diǎn)，且處理效果也難以滿足日益嚴(yán)格的排放要求。為此，需要尋找新的方法和途徑來(lái)解決這一難題，而低溫等離子體和光催化技術(shù)相結(jié)合則是近年來(lái)興起