华烯环保
因为废气中VOCs污染物往往浓度低(<3000mg/m3),气量大、污染面广,如热力焚烧、催化燃烧、冷凝、吸收和吸附等传统的处理技能往往不适用,不是其处理效果达不到要求,便是投资或运转成本太高,迫使人们寻求和开发新的适用技能。
近年来,低温等离子体、光催化氧化和生物处理等新技能在处理低浓度VOCs废气方面已显示出其技能优势和很好的市场远景,本文将介绍这些新技能和废气处理设备。
1低温等离子体技能
1.1原理
等离子体是含有很多电子、离子、分子、中性原子、激起态原子、光子和自由基等组成的物质的第四种形状。其总正负电荷数持平微观上呈电中性,但具有导电和受电磁影响的性质,表现出很高的化学活性。根据系统能量状况、温度和离子密度,等离子体一般可分为高温等离子体和低温等离子体(包括热等离子体和冷等离子体)。高温等离子体的电离度挨近,各种粒子的温度简直相同,而且系统处于热力学平衡状况,它首要使用于受控热核反响研讨方面。低温等离子体则处于热力学非平衡状况,各种粒子温度并不相同。
低温等离子体可通过前沿陡、脉宽窄(纳秒级)的高压脉冲放电在常温常压下取得,其间的高能电子和O˙、OH˙等活性粒子可与各种污染物如CO、HC、NOX、SOX、H2S、RSH等发作效果,转化为CO2、H2O、N2、S、SO2等无害或低害物质,从而使废气得到净化。它可促进一些在一般条件下不易进行的化学反响得以进行,甚至在极短时间内完成,故属低浓度VOCs管理的前沿技能。
1.2研讨发展
低温等离子体首要是由气体放电发作的,与现代工业关系密切,使用非常广泛。按放电方式可分为辉光放电、电晕放电、介质阻挠放电、射频放电及微波放电等。脉冲电晕是一种新型等离子体技能,归于冷等离子体,可在常压、低温下作业且电子能量适中,因而一般被用于处理VOCs等有害气体。在20世纪80年代中期由Masuda和Mizuno等首要提出,目前在中国、日本、俄罗斯和加拿大等国家都有研讨[1,2]。
FutamuraS等[3]对有害大气污染物(HAP)在低温等离子体化学处理中金属氧化物的催化活性进行了研讨,在没有MnO2作催化剂时,苯的摩尔转化率为30%,而在有MnO2作催化剂时,苯的转化率可高达94%。KangM等[4]在常压下用等离子体TiO2催化系统去除初始浓度为1000mg/m3的甲苯废气,仅有O2等离子体没有TiO2催化剂时,甲苯去除率为40%;在TiO2/O2等离子体下,去除率到达70%;在O2等离子体中,TiO2负载于γ-Al2O3上时,甲苯的去除率到达80%。这些研讨标明,使用等离子体与催化反响的协同效应,以进步有机废气净化率、下降能耗是成功的。
近些年,国内学者对低温等离子体的研讨也在深入。于勇等[5]用介质屏蔽降解CF3Br,降解率到达55%。李锻等[6]将双极性脉冲高压引进介质阻挠反响器对氯苯和甲苯的分化特性进行了试验研讨。而以冯春杨[7]、晏乃强[8]和黄立维[9]等人展开了脉冲电晕去除多种有机废气的研讨,初始浓度为76.8mg/m3,苯的去除率到达61.4%,并对比了线—筒式和线—板式二种反响器对甲苯的去除率,在以Mn、Fe等作为催化剂时,可使去除率进步,催化剂活性的排序为Mn>Fe>Co>Ti>Ni>Pd>Cu>V,在去除各种有机废气中,甲醛最易去除,二氯甲烷最难,甲苯、乙醇、丙酮则处于其间。周远翔[10]等还使用低温等离子体技能处理粉尘中二英,去除率达81%。
因而,低温等离子体技能使用的可行性和条件试验已较充沛,也有了很多理论基础;已为这项工艺简略、适用性强、流程短、能耗低、易于操作和自动化的新技能提前工业化打下了充沛的基础。
2光催化技能
2.1效果机理
近年来,光催化技能处理气态污染物也愈来愈遭到世界各国的注重。研讨标明,该技能在常温、常压条件下能将废气中的有机物分化为CO2、H2O和其它无机物,有较大潜在使用价值。自l972年日本Fujishima和HondaL发现TiO2单晶电极分化水以来,标志着纳米半导体多相光催化新时代的开端,在多相光催化反响所使用的半导体催化剂中,国外一般选用TiO2粉末作为光催化剂降解苯系物[11],但
TiO2的禁带较宽,能使用太阳能仅占总太阳能的3%,为了进步太阳能的使用率,各国学者围绕高活性纳米TiO2的制备、多相光催化机理及进步TiO2的光催化效率等方面作了很多的探索作业。
纳米TiO2为n-型半导体,具有三种不同晶相结构:锐钛矿型(Anatase)、板钛矿型(Brookite)、金红石型(Rutile)。其间锐钛型TiO2具有较高的光催化氧化才能,其禁带宽度为Eg=3.2eV,适当于波长为387nm光的能量,处于紫外区。在紫外光效果下它的价带上的电子(e-)就能够被激起跃迁到导带,在价带上发作相应的空穴(h+),随后h+和e-与吸附在TiO2外表上的H2O,O2等发作效果,生成˙OH,˙O2-等高活性基团,当然发作的空穴和电子还有复合的可能。其机理如下:
光氧催化设备
关于纯的TiO2而言,当遭到波长λ=387.5nm的紫外光照射时会发作光生电子(e-)和光生空穴(h+)。E-和h+也能够从头兼并,使光能转化为热能而流失;当有适当的抓获剂或外表空位时,e-与h+的复合会遭到抑制,氧化还原反响就会发作。光生电子的抓获剂首要是吸附在TiO2外表的O2。O2吸收电子后,能够生成H2O2和一系列自由基。光催化系统中OH˙是首要的自由基,该自由基具有很强的氧化效果,且其氧化效果简直无选择性,能够氧化包括难生物降解的化合物在内的多种有机物。光生电子也可与O2、H2O等物质反响生成一系列自由基,进而氧化有机物,从而到达消除污染物的目的。
2.2研讨发展
TiO2光催化技能对工业废水具有很强的处理才能,使用已较广泛。而使用TiO2作为光催化剂净化空气的技能在国外已逐渐老练,但在国内的研讨属方兴未艾。
空气中大部分有机污染物均可用TiO2光催化氧化去除,文献报导了对烯烃、醇、酮、醛、芳香族化合物、有机酸、胺、有机复合物、三氯乙烯等气态有机物的光催化降解,其量子效率是降解水溶液中同样有机物的10倍以上。Vorontsov等[12]对TiO2气相光催化降解(C2H5)2S时发现,首要气相产品包括(C2H2)2S2、CH3CHO、CH3CH2OH、C2H4以及微量产品CH3COOH、C2H5S(CO)CH3和SO2。
国内关于TiO2光催化使用于废气处理还比较少见,近几年首要针对室内空气和低浓度苯系物作了初步试验研讨和动力学探讨,详见表1。
光氧催化用在喷漆房
人们还注意到具有磁性的光催化可使用磁场使TiO2易于回收,因而展开磁性TiO2光催化剂的功能研讨和制备探索,使用TiO2光催化悬浮系统反响比外表积大的特点,以制作出新的高效光催化反响器。
3生物净化
3.1净化机理
土壤是微生物的大本营,早在1957年,美国就发明了用土壤过滤法对H2S除臭的专利,其时的技能仅仅是由布气管上覆盖土壤构成。而20世纪80年代欧洲已有适当数量的废气生物处理装置投入运转,80～90年代是欧洲废气生物处理开展的黄金时期[17～18],如1994年在德国使用的生物处理工艺比例已达78%。因为它有具有效果好而安稳、运转费用低、无二次污染等长处,目前在发达国家已成为老练工艺和处理含VOCs废气的首选技能;在国内其优越性也日益被人们所知道,并得到越来越广泛的使用。
废气的生物处理进程,实质是附着在生物填料介质上的微生物在适宜的环境条件下,使用废气中的污染物作为碳源和动力,维持其生命活动,并将它们分化为CO2、H2O等无害无机物的进程。废气中污染物首要经历由气相到固/液相的传质进程,然后才在固/液相中被微生物降解。反响器类型首要有三种:生物洗涤塔、生物过滤塔和生物滴滤塔,别的,最近开端进入人们研讨视界的反响器类型还有生物转鼓。
3.2研讨发展
废气的生物处理进程中的传质进程首要由两种理论解释,一种是荷兰学者Ottengraf根据吸收操作的双膜理论而提出的“吸收-生物膜”理论,一种是孙佩石等根据吸附理论而提出的吸附-生物膜理论。近年来,生物处理进程的研讨侧重对上述理论进行修补、改善,如Zarook、Delhomenietomski等[19～21]提出了气态污染物轴流扩散理论,认为填料尺度巨细与外表积是影响其气态污染物生物降解的首要要素,别的运用质量和能量平衡理论验证了填料床存在水分改变,并阐述了水分改变的机理。
生物滤床和生物滴滤床均可处理混合的复杂废气,如臭气和VOCs[22]、丙酮,甲苯和三氯乙烯的混合物[17],甲苯、乙醇和丁醇[23],且能到达好的处理效果。LeCloirec等[24]对VOCs的去除进行描述,评论生物滤床、生物滴滤床和生物洗涤床不同工艺的发展及个例,而且认为生物滴滤床中疏水性的VOCs传质是个限制要素。Deshusses等[25]还对生物滤床和生物滴滤床处理VOCs进行建模,对反响器设计和处理效果到达优化,并认为在生物滴滤床中需求适宜pH、盐分、代谢产品的浓度以及营养液的补充。Cho等[26]对新颖的喜温微生物进行研讨,包括较高温度的VOCs废气。
国内生物法在低浓度VOC废气处理中近几年也得到迅速开展。孙石等[27,28]用生物法处理低浓度再生胶工业废气,取得了较好的效果,同时对工业废气中常见的甲苯、苯乙烯、甲醛、CS2,SO2,H2S,NOX等气态污染物进行净化试验。孙玉梅[29]则研讨了生物过滤去除乙酸乙酯、含氨废气,陈建孟等[30]选用假细胞杆菌属GD11菌株对生物滴滤床接种挂膜,用来净化浓度为0.709mg/m3的二氯甲烷废气,EBRT为11.8s,去除率达97.6%,最适宜pH为7.0±0.5,温度为28.5±2℃。
4开展远景
归纳上述,低温等离子体、光催化技能和生物技能对处理低浓度VOCs废气在技能上是可行的,特别是它们安全、高效、低能耗、无二次污染等长处,其使用远景均非常宽广;但目前国内它们不是还逗留在试验研讨阶段,便是还没有成为老练技能,实现工业化使用还有很多作业要做。鉴此,作者提出三种新技能的开展远景展望如表2。
废气处理设备
5定论和建议
低温等离子体、光催化和生物处理三种新技能,可在近期内有效解决传统技能对处理低浓度大气量废气没有适用技能的难题。跟着我国经济的快速开展,每年由工业企业排放很多VOCs废气引起的污染依然非常严峻,而我国是开展中国家,更需把有限的污染管理资金用好,以切实有效。而这三种新技能都具有投资少、运转费用低、废气逗留时间短、高效、安稳、反响完全且无二次污染等特点,可战胜传统方法运转费用高、反响器巨大等缺陷,存在二次污染的缺陷。必将在低浓度VOCs污染管理领域发挥巨大的效果。
新技能和新工艺的开发使用,有必要投入满足的资金和力气,并进行深入的理论和工艺研讨;另一方面,因为VOCs污染物品种繁多,实践排放废气进程复杂,根据具体情况选择合适的技能和工艺,将是我们面临的首要任务之一。
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