有机废气处理技术概述

近年来大气污染问题日渐突出，严重影响着自然环境、生态气候以及人们的身体健康。目前已知的大气污染物约有100余种，其中挥发性化合物作为引起PM2.5和光化学污染的主要“元凶”，其治理工作广泛关注。随着我国对于大气污染防治监管力度的不断加大，许多高污染废气排放行业的发展也受到制约。由此，寻找合理的废气处理方法、发展的废气处理技术对于环境保护以及经济发展都将有着重要意义。
　　一、废气的成分、来源及危害
　　挥发性废气的成分主要包括脂肪烃、芳香烃、卤代烃、醇、醛、酮、酯、醚、酚、胺、腈、羧酸等，主要来源于石化、制药、印刷、涂装、喷漆、皮革加工、化纤生产、塑料加工等涉及使用大量溶剂的行业的生产过程排放。
　　废气成分复杂，易燃、易爆并带有   毒性，不仅会污染大气环境，生成光化学烟雾，破坏臭氧层，还会通过呼吸和皮肤吸收进入人体，刺激人的呼吸系统，影响人的神经系统和造血系统，损害肝、脾等器官，引起中毒、致癌甚至死亡。
　　二、废气处理技术
　　目前针对废气治理已发展出多项处理技术，根据处理原理，大体上可将这些技术分为两类：一类是回收法，即通过单纯改变物的温度、压力等物理特性或采用选择性吸附剂等对其进行分离回收；另一类是法，即利用化学或生物反应，在   条件下将物氧化分解为   或低毒产物。
　　1、回收法
　　回收法主要包括吸附法、吸收法、冷凝法和膜分离法。
　　1.1、吸附法
　　吸附法利用具有多孔结构的吸附剂选择性地吸附废气中的污染物，多用于低浓度、高通量废气的处理。应用吸附法时，吸附剂的选择是关键。常用的吸附剂包括活性炭、沸石、氧化铝、硅胶和一些高分子材料，活性炭吸附塔中活性炭由于具有较好的选择性、发达的孔结构、较大的比表面积、良好的机械强度、理想的生物相容性和化学稳定性等特点而成为目前应用多的废气吸附材料。利用活性炭净化装置可吸附废气中的芳香烃、脂肪烃、卤代烃、醇、酮、醚、酯等物质，为提炭的吸附性能，可采用酸、碱等对其进行改性。此外，吸附剂的形状、结构对于吸附性能也会产生   影响。研究发现，吸附剂采用纤维状活性炭的活性炭吸附设备对于废气中苯的吸附能力要比一般的活性炭高1倍~10倍，吸附效果   好。
　　吸附法工艺成熟，去除，设备简单且能耗较低，因此，被广泛用于废气的处理。但吸附法运行成本较高，吸附材料吸附容量有限且   困难，重复使用后吸附效果下降明显，易失活且失活后的吸附剂的处理也存在   问题。
　　1.2、吸收法
　　吸收法主要指的是液体吸收法，采用低挥发或不挥发性的液体吸收剂对废气中的物质进行吸收，从而对废气进行处理。根据吸收原理的不同，液体吸收法可分为物理吸收法和化学吸收法。前者利用物质的相似相容原理，通过吸收剂选择性地吸收与其性质相似的气体从而达到净化目的；后者则是通过吸收剂与废气之间发生化学反应，从而实现净化废气、分离污染物的目的。针对不同成分的废气，选择合适的吸收剂重要。肖潇等对比研究了几种废气吸收液(二乙基轻胺、聚乙二醇400、硅油、食用油、废机油、0#柴油)对甲苯废气的吸收效果，发现在相同实验条件下，二乙基轻胺对甲苯的吸收效果好，而聚乙二醇和硅油差。近年来利用环糊精的水溶液作为卤化物的吸收剂也取得了理想效果。
　　液体吸收法具有投资成本少、运行成本低、操作简单等优越性，适用于废气的处理，应用时需对吸收剂进行后期处理，过程复杂且成本较高，同时还易产生二次污染，使得该法的应用受到限制。
　　1.3、冷凝法
　　冷凝法通过降低系统温度或提高系统压力使污染物冷凝，继而从废气中直接分离出来，适用于、高沸点废气的处理。由于加压设备较多且比较昂贵，因此，一般采用降温方式进行冷凝。该法操作简单、投资成本少、经济效益高，但单采用冷凝法处理后的废气仍含有较的污染物，因此，在实际应用中常将其与其他方法，如吸附法、催化燃烧法等进行联用，有利于降低负荷、运行条件及成本，分离回收废气中的部分成分，实现资源利用。
　　1.4、膜分离法
　　膜分离法利用物分子与空气通过高分子膜的溶解扩散速度不同而对废气中的污染物进行分离，常用的膜分离工艺包括：蒸汽渗透法、气体膜分离法以及膜基吸收法。膜分离法适用于低通量、废气的处理，具有操作简单、低耗、无二次污染等优点，同时利用膜分离法还可实现对脂肪烃、芳香烃、氯代烃、酮、醛、酚、腈、醇、胺、酸等化合物的回收。尽管膜分离法的废气处理效果较好，但膜的通量较小且在使用过程中易被污染，设备投资和运行成本都较高。
　　2、法
　　法主要包括：燃烧法、脉冲电晕法、低温等离子技术、光催化氧化法、臭氧催化氧化法、微波催化氧化法和生物处理法等。
　　2.1、燃烧法
　　燃烧法是利用废气可以燃烧的性质，通过充分燃烧而将挥发性物转化为水和二氧化碳，主要包括直接燃烧法、热力燃烧法和催化燃烧法。
　　直接燃烧法是将废气当作燃料进行直接燃烧，所需温度较高(一般在1100℃左右)，适用于废气的处理。直接火焰燃烧的应用范围比较广，投资成本低，设备简单，处理效果比较   ，在时间和适当温度条件下，处理效率   达到以上，但高温燃烧容易产生二次污染。
　　热力燃烧法是利用热力交换器对废气进行升温加热，使其在700℃~800℃以上的高温条件下进行燃烧，废气处理效率可高达~。相比直接燃烧法，热力燃烧法降低了部分能源消耗。
　　催化燃烧法是利用催化剂在较低温度下(200℃~500℃)加热废气，使其发生氧化分解反应，从而实现净化。常用的催化剂包括非贵金属类和贵金属类的催化剂、过渡金属氧化物和复氧化物催化剂。催化燃烧法具有   性好、能耗少、无二次污染、净化等优点，但该法在应用过程中容易出现催化剂中毒现象，因此，对于使用条件和操作工艺要很高，此外，贵金属类催化剂成本较高，经济效益较差。
　　2.2、脉冲电晕法
　　脉冲电晕法通过前沿陡峭、脉冲窄的高压脉冲电晕放电，在常温、常压下产生大量   电子或O、OH、N等活性粒子以及臭氧，与物分子发生化学氧化反应，破坏其C-C、C-O及C-H等化学键，终使污染物降解为CO₂和H₂O等物质。丁德玲等对脉冲电晕法去除二甲苯废气进行了实验研究，发现二甲苯去除率随脉冲峰值电压、脉冲频率的增大而升高，随气体流量、气体质量浓度的增大而降低。实验结果表明，脉冲电晕法适用于低浓度、大流量二甲苯废气的处理，去除率高可达87.4%。然而该方法在实际应用中存在能耗较大，大功率脉冲电源制造技术复杂、成本较高，火花开关寿命较短等问题，限制了该技术的进一步推广。
　　2.3、低温等离子技术
　　低温等离子技术通过高压脉冲放电获得大量   电子和自由基等活性粒子，经低温处理后变为固态、液态或气态。这些粒子通过破坏物的部分化学键，如C-H和C-C键等，从而对污染物进行降解，将其转化为或低害物质，适用于大风量、低浓度废气的处理。研究表明，单独使用低温等离子技术处理废气时，去除率虽高但会有副产物产生，而在等离子体反应器中加入吸附剂或催化剂时，不仅可以提高污染物的去除率，同时还可减少副产物的生成。低温等离子技术具有工艺简单、能耗较低、处理等优点，尤其适用于处理恶臭气体，但该法运行费用相对较高。
　　2.4、光催化氧化法
　　光催化氧化法利用WO₃、CdS、ZnO、TiO₂等催化材料的光催化活性，光催化氧化装置在特定波长的光(一般是紫外线)照下，激发其产生氧化性的自由基活性物质，终将吸附在其表面的物氧化为二氧化碳、水等物质。UV光催化氧化设备反应、处理效果好、能耗低且无二次污染，可转化苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、乙酸乙酯、甲醇、乙醛等物质。
　　2.5、臭氧催化氧化法
　　臭氧催化氧化法以金属、金属氧化物和金属盐作为催化剂，催化臭氧产生   多的具有强氧化性的物质以提高其氧化能力，使臭氧在室温下即可催化废气氧化为二氧化碳和水。采用臭氧催化氧化法能明显降低反应活化能及反应温度，然而该方法在应用时容易出现催化剂失活，反应温度过低时还易生成副产物。臭氧催化氧化法多用于废水中污染物的去除，而目前   对于该项技术在废气处理方面的研究也取得了   进展，是比较好的废气处理技术。
　　2.6、微波催化氧化技术
　　微波催化氧化技术由传统的填料吸附一解吸技术发展而来。利用吸附剂吸附污染物后，采用微波将污染物从吸附剂上解吸出来，随后在催化剂的作用下将污染物氧化降解。其中，非氯代物将被氧化为水和二氧化碳，可直接排入大气，而氯代物经催化氧化还会生成HCl，需用碱性吸收剂进行吸收。微波催化氧化技术将传统解吸方式转变为微波解析，在降低能耗的同时缩短了解吸时间，且微波   效果好，吸附剂解吸20次后仍能基本保持原有的吸附能力。微波催化氧化技术具有较高的催化效率、启动时间较短且对温度要求不高，应用该技术时应针对不同的废气选择合适的吸附剂，同时注重微波功率、加热时间、载气流量等因素对催化效率的影响。
　　2.7、生物处理法
　　生物处理法利用微生物的   作用，将废气中的某些成分作为碳源和氮源进行氧化分解，终将污染物转化为无机物、水、二氧化碳等物质，适用于大气量、低浓度废气的处理。目前生物处理设备主要包括生物滤池、生物滴滤塔、生物洗涤器等该法具有净化效果好，运行费用少，无二次污染，   性、环保性好等优点，但微生物的代谢速率较慢，因此，净化速度不高。应用该法时病菌的筛选是关键，因此，应加大对病菌种类的分析和研究，同时在运行过程中应注意控制体系的温度和pH值，微生物的活性。
　　3、组合处理技术
　　在实际应用中，为降低处理成本、提高处理效率，常将上述处理方法中的两种或几种进行联合使用。采用光氧催化氧化装置和活性炭吸附联用的方式对含有酮、醛、酯、烃等物的恶臭废气进行处理，不仅弥补了单独使用光催化氧化时废气去除率不高的问题，同时也增加了活性炭的   换时间，降低了处理成本。低温等离子体结合光催化氧化技术在降解废气二甲苯方面的应用，实验结果表明，在光催化剂的作用下，等离子体对于二甲苯的去除率显著提升，通过二者的协同作用，可   加地分解空气中的物质。
　　废气处理时，   先应充分了解废气的组成和性质，综合考虑处理技术的经济性和性，从而选择合适的处理方式。在使用单一处理方法的基础上还可发展组合处理技术，以提高处理效率，降低处理成本。此外，在废气的治理过程中应当意识到，除了要发展的处理技术外，还要从源头上控制：对高污染的生产工艺进行优化改进，减少溶剂的使用，降低污染物的排放；在生产过程中尽可能使用封闭设备，减少废气的泄露。