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工业源常见VOCs治理技术的研究进展

2020-03-30 09:07:59      点击:
随着经济不断发展,工业生产会产生大量的挥发性有机化合物(VOCs),VOCs 不经过有效处理排放到大气中,会产生严重的环境问题,影响人们的健康。本文综述了 2010 年以来工业源 VOCs治理的几种常见方法(如燃烧法、低温等离子体法、光催化氧化法和生物法)的研究进展,阐述上述方法的优缺点、适用范围、去除效果和存在的问题,以期为工业源 VOCs治理方法研究和应用提供有益参考。


随着工业化不断发展和严重的空气雾霾,人们越来越关注环境空气质量。有些 VOCs 不但有毒,而且还存在致癌风险,如苯和甲醛等。有些VOCs经过光化学氧化后生成光化学烟雾和二次有机气溶胶,其中二次有机气溶胶是 PM 2.5 的重要组成部分,光化学烟雾和 PM 2.5 会形成灰霾天气现象,对大气能见度产生不良影响;有些 VOCs(如氟氯昂)会直接消耗大气层中的臭氧,造成臭氧空洞。近几年,工业源 VOCs治理技术又有了更大的发展。


1 燃烧法


燃烧法主要有直接燃烧、蓄热燃烧、催化燃烧和蓄热催化燃烧四种。


直接燃烧法工艺简单、净化效率高、燃烧产物主要是 H2O和CO2等。直接燃烧的运行温度一般大于 750 ℃,能耗高,还会产生 NOx 等二次污染物。当 VOCs 浓度小于 1000 ppm 时,仅靠自身燃烧产生的热量无法维持燃烧,需要添加辅助燃料。


萧琦等研制出了新式多蓄热室旋转换向蓄热式热氧化器,该氧化器对 VOCs 的处理效率为 96 %,比常规热力焚烧炉节能70 %~90 %;但是处理较高浓度 VOCs,排放不达标。蓄热燃烧法对实际医药化工有机废气中的甲苯、甲醇、二氯甲烷、乙醚和四氢呋喃的去除率分别为 88.0 %、94.8 %、95.3 %、96.8 %和 94.6 %,可达标排放,但也存在较多问题,如进气口传感器和陶瓷体易被堵塞,阀门易腐蚀等。


催化燃烧法具有燃烧温度低(通常小于 400 ℃),净化效率高,副产物(如NOx和二噁英)生成量少,对低浓度(<1000 ppm)VOCs也有催化氧化效果等优点。相对于单一金属催化剂,复合金属氧化物催化剂能发挥协同效应,大大提升催化性能。


现在主要使用负载型催化剂,因为催化剂的催化性能不仅取决于纳米金属离子的活性成分,还取决于负载材料,负载材料通过影响催化剂表面活性组分的分散度,从而影响催化剂活性。分子筛(如ZSM-5、MCM-41 和 SBA-15)是常见的负载材料之一,为了解决传统分子筛孔径小和强烈阻碍传质的难题,合成出了具有快速传质性能的介孔分子筛。


阳离子会影响介孔分子筛的催化燃烧性能,Chunyu Chen 等制备出不同阳离子负载的Pt-R/Meso-AZSM-5(A=H + ,Na + ,K + ,和 Cs + )催化剂,其中Pt-R/Meso-KZSM-5在175 ℃下催化燃烧甲苯的去除率达到98 %,而且这种催化剂很稳定,可以忽略水和二氧化碳对其的抑制作用。


在蓄热燃烧法的基础上衍生出蓄热催化燃烧法。姚伟卿等采用 Pd/Zr-Mn-O/载体催化剂在流向变换反应器中催化燃烧甲苯,甲苯浓度为 800~3200 mg/m3,去除率大于 96.5 %,而且催化剂的活性要比传统固定床的高 10%左右。流向变换催燃烧反应器集固定床催化反应器和蓄热换热床于一体,明显提高热回收率。未来应开发出高活性、高稳定性、高机械强度、价格低廉、疏水性能和抗中毒性能良好的催化剂,提高其催化活性。


2 低温等离子体法


低温等离子体法操作条件温和(常温、常压),处理 VOCs 种类广(除卤代烃外),对低浓度 VOCs(<100 mg/m 3 )处理效率大于90%。但是单一的低温等离子体法产生较多的二次污染产物(如NOx、脂肪烃、HCN、CH3CN 和O3等),而且能源效率和矿化率低。低温等离子体协同催化剂方法能量效率更高,O3浓度大大降低,CO2选择性更高,副产物种类更少和浓度更低 ,因而受到更大关注。


低温等离子体放电的方式常见的是介质阻挡放电法。研究发现提高催化剂的臭氧分解能力、介电常数和吸附性都有助于降解VOCs。为提高催化剂介电常数,一般使用铁电体催化剂;为提高催化剂的吸附性,可在反应器中填充吸附剂或者将催化剂负载在吸附剂上。