含苯系物废气处理技术研究进展

苯系物(BTEX)是一类常见的工业污染物，它通常包括苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯等，主要来源于机动车尾气、化工、石油化工以及橡胶粘合剂、油漆等。苯系物均为有毒化合物，对人体有伤害，长期吸入较的苯系物，会出现头疼、头晕及记忆力衰退等现象，并可导致血液系统   ，易引起白血病，严重者造成死亡。1996年我国环保部批准发布的《大气污染物综合排放标准》(GB16297-1996中规定了33种大气污染物的排放限值，其中对苯、甲苯、二甲苯等苯系物的排放限值均有严格要求。因此，含苯系物废气的治理越来越受到人们重视，已成为大气污染物治理的之一。常见的苯系物废气处理技术主要包括吸收法、吸附法、热破坏法、冷凝法和膜分离法，近年来的新型治理技术有生物法、光催化法和等离子体法等，以下将对上述处理技术进行详细介绍。
　　一、常规处理技术
　　1、吸收法
　　在油气回收，采用苯系物在某些溶剂中的高溶解性，常采用高沸点、低蒸汽压的亲油性溶剂来吸收净化含苯系物废气。程丛兰等了一种新型苯系物吸收剂，它主要由水与少量无机盐类活性组分及表面活性剂组成，苯系物初始浓度在200mg/m³~500mg/m³时，吸收去除效率在70%左右。
　　但该法目前选用的吸收剂大都本身即为易挥发的溶剂，存在易燃、易爆等特征，出口气体浓度不因浓度的降低而下降，易造成二次污染，且后续对吸收液的处理较为繁琐。
　　2、吸附法
　　活性炭净化器吸附法在VOCs处理过程中有较多应用，对含苯系物废气、溶剂挥发、丙酮废气及炼化企业产生的废气均有较好的处理效果。在活性炭吸附装置中吸附剂具有至关重要的作用，其化学组成和表面性质是吸附操作能否正常进行的。活性炭是处理废气中常见的吸附剂。以果壳活性炭为吸附剂，李珊红等利用间歇式固定床活性炭吸附法处理电子线路板厂的含苯系物废气，经吸附处理后，苯、甲苯、二甲苯的净化效率分别可达81.59%、83.5%和85.43%。
　　为提炭的苯吸附容量，Yao等通过KOH溶液处理和控制活化过程参数的方法对常规的活性炭进行改性，结果表明，KOH可显著提炭表面活性，同时可降低活性炭中孔孔径的比例，经改性后活性炭的比表面积与苯吸附容量可达1210㎡/g和423mg/g。经不同浓度H3P04溶液浸渍改性后，Tham等制备了一系列榴莲皮型活性炭(DSAC)，其大BET比表面积可达1404㎡/g，且经30%H₃PO₄浸渍改性的DSAC具有高的甲苯脱除效率。
　　活性炭纤维是继粉末状和颗粒状活性炭后的第三代活性炭产品。与常规活性炭相比，活性炭纤维具有孔隙率大、孔径均一、高吸附容量等特点。另外，由于活性炭纤维的微孔直接通向外表面，吸附质分子内扩散距离较短，所以吸附和脱附速率高，残留量少，因而其吸附能力比一般活性炭高1~10倍。
　　李守信等利用一种活性炭净化设备处理某农药厂生产过程中排放的含苯废气，该工艺苯的吸附效率可达以上，每年可回收苯270t，企业可得净收益58.4万元。金毓荃等采用产自辽宁辽源的活性炭纤维，研究了其净化含苯系物废气工艺过程，确定了设计参数，并在中型试验设备上进行了验证，取得了满意的净化效果。另外，从微观结构和宏观形态上分析了活性炭纤维的吸附机理。
　　随着对含苯系物废气排放要求的提高，某些具有特定吸附功能的新型多孔吸附材料了长足发展。例如，武占省等以十六烷基基嗅化铰为改性剂，采用微波辅助合成法制备了膨润土，结果表明膨润土对苯系物的吸附量大小依次为二甲苯>甲苯>苯，其含碳量大小与苯系物的吸附能力具有明显的正相关性。
　　3、热破坏法
　　热破坏法是目前应用较为广泛的一类治理含苯系物废气的方法，特别对于低浓度情况。热破坏法可分为直接火焰燃烧法和催化燃烧法。直接火焰燃烧法在多数情况下，气流中物浓度较低，不足以在没有辅助燃料时燃烧。催化燃烧法是利用催化剂使气体在较低的温度下(300℃~450℃)发生无焰燃烧，氧化分解为CO₂和H₂O。燃烧型催化剂按活性成分可分为贵金属催化剂、过渡金属氧化物催化剂和复氧化物催化剂。
　　张志强等采用浸渍法制备了三种整体式催化剂，通过实验表明，CuMnCeZr/Al-Ti型整体式催化剂在259℃下催化燃烧苯时苯转化率可达84%表现良好的低温催化活性。王筱喃等采用Pt/Pd催化剂处理模拟含苯系物废气，实验结果表明，R/Pd催化剂对含苯系物废气具有较强的脱除效果，在反应器入口温度250℃、空速20000h^-1条件下，去除率可达以上。
　　该处理方法具有所需设备体积小、造价低及分解产物为   的CO₂和H₂O等诸多优点，但其催化剂价格较高，工艺条件要求严格，不允许废气中含有影响催化剂寿命和处理效率的尘粒和雾滴，也不允许有使催化剂中毒的物质，因此采用催化燃烧技术时须对废气作预处理。
　　4、膜分离法
　　膜分离法基本原理为采用对物具有选择性渗透的高分子膜，在   压力下使废气渗透通过而被富集，脱除了废气的气体留在未渗透侧，达到排放标准而排出系统。Xu等系统评价了聚丙烯中空纤维气液膜接触器对苯/氮气的分离能力，考察了气/液相流率、原料气和初始液相浓度、液相温度以及吸收剂浓度对去除效率的影响，结果显示，在相对较高的液相流率情况下(>100mL/min)，气态苯的脱除效率可达。该技术具有流程简单、气体回收率较高、能耗低、二次污染少等优点，但同时存在着设备投资费用高，适用于、小气量和有较高回收价值的VOCs的回收。
　　5、冷凝法
　　冷凝法是利用废气中各组分在不同温度下饱和蒸气压不同的特点，采用降低系统温度或提高系统压力，使处于饱和蒸气状态的污染物从废气中冷凝下来，从而达到分离回收目的。黄维秋等将冷凝技术作为处理可挥发废气的的前端，并与吸附技术进行集成，用来处理废气，取得了良好的效果。冷凝法优点为所需设备和操作条件简单，且理论上回收组分的纯度较高，但要获得较高的回收率，往往需要较低的温度和较高的压力，所需能耗较大，故冷凝法不适合于进气浓度较低的情况，在应用过程中应与其他处理技术相结合。
　　二、新型处理技术
　　1、生物处理法
　　生物处理法的实质是微生物在适宜的环境条件下，利用废气中物作为生命活动的能源及其营养物质，经代谢降解，转化为简单的无机物，从而起到处理物废气的目的。目前和应用的生物处理设备有生物过滤塔、生物滴滤塔、生物滴滤器及膜生物反应器等。
　　生物法的缺点主要是所能承载的污染物负荷不能太高，另外，对于气态污染物生物进化的机制还不够了解，设计和运行基本还停留在经验和现场试验获取数据的水平，造成一些设备的运行效果不稳定。
　　2、光催化法
　　光催化氧化法是近年来处理挥发性污染物的研究热点，光氧催化氧化设备主要指在紫外或可见光的照射下，利用催化剂的光催化氧化特性，使吸附在其表面的VOCs发生氧化还原反应，终转变为的CO₂、H₂O以及无机小分子物质，从而达到降解目的。在所有光催化处理工艺中所用到的催化剂中，以TiO₂被研究的为广泛。利用自制光催化反应器，俞欣等研究了TiO₂光催化处理二甲苯废气的影响因素，实验结果表明，在紫外光强度1000W和风量1000m³/h时，对二甲苯的脱除率可达90%以上。金苏君采用溶胶法制备了TiO₂柱撑膨润土复合光催化剂，并详细考察了该类型催化剂对含甲苯废气的降解性能，结果表明，UV光解催化氧化装置在催化降解初始阶段，反应速率主要取决于TiO₂的含量，膨润土的   作用不明显；但随着光催化反应时间的延长，催化剂对甲苯的吸附性会影响催化剂对甲苯的降解率。Takeuchi等通过实验发现，与常规TiO₂光催化剂相比，采用TiO₂/Y-沸石混合光催化剂可显著提高处理含甲苯和苯废气的光反应速率。
　　3、等离子体法
　　等离子体法是通过放电过程中产生的大量活化离子与污染物分子发生反应，从而使污染物分子分解成为小分子化合物或氧化成容易处理的化合物，以达到分解处理目的。
　　吴健婷等采用线筒式反应器，研究了放电等离子体法脱除二甲苯的能力，结果表明，二甲苯脱除效率随峰值电压、反应时间增加而提高，随反应物入口浓度增大而降低，高脱除率为71%。Kim等考察了Ag/TiO等离子体对低浓度含苯废气的处理效果，结果表明，当苯蒸气入口浓度为110mg/m³、输入能量密度为130J/L时，Ag/TiO₂等离子体可使苯去除率达到90%。
　　与其它处理技术相比，等离子体法具有处理流程短、、能耗低、适用范围广等特点。但该法对电源要求高，还会产生副产物，如NO_x等。
　　目前，含苯系物废气处理技术较多，各有优缺点，如传统吸收法和吸附法尽管脱除苯系物效率较高，但脱附过程较为繁琐，且易产生二次污染；热破坏法对催化剂要求较高；膜分离法投资设备费用高，且对膜的选择难度大；传统的冷凝法对微量苯系物的脱除效果不经济；生物处理法所能承载的污染物负荷不能太高，在大气量、含苯系物废气情况下的应用受限；光催化法和等离子体法尚处于实验阶段，离工业化应用程度较远。因此，在实际工程应用过程中，应对每种治理方法予以综合考虑，才能做出合理选择，另外，结合各处理技术的优点，将多种控制技术进行联合使用应成为以后发展方向，比如，对低浓度的含苯系物废气，可选用吸附或吸收浓缩-催化燃烧方法来提高脱除效率等。