空氣中揮發(fā)性有機(jī)物的污染來源及防治措施探究

謝 濤，蔡 靜，郭 雷

(1.四川省南充市環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 南充 637000； 2.銅仁學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州 銅仁 554300)

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，國民生產(chǎn)總值不斷提高，但對于生態(tài)環(huán)境的污染也逐漸加重，大氣污染在我們的生活中越來越普遍，特別是霾這種小顆粒的粉塵對于人體的傷害很大。揮發(fā)性有機(jī)物(Volatile Organic Compounds)是一類有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的統(tǒng)稱，常見于大氣污染，它的存在對于我們的人體有很大危害。在國內(nèi)，由于揮發(fā)性有機(jī)物的增多，最明顯的現(xiàn)象主要表現(xiàn)為區(qū)域性霾污染、臭氧及酸雨等三種復(fù)合型污染形式[1]。VOCs本身具有一股惡臭味，極易破壞臭氧層，從而引起光化學(xué)煙霧，部分VOCs具有毒性且致癌，嚴(yán)重影響人體身體健康。VOCs內(nèi)部的碳?xì)溲趸锱c氮化物容易在紫外線的照射下會生成臭氧，對大氣層造成破壞。此外，VOCs容易參與大氣中造成二次氣溶膠的形成，易在大氣層中堆積滯留，對光的散射較強(qiáng)，降低大氣的能見度，從而造成霾的產(chǎn)生。基于其危害程度過大，國內(nèi)外都在尋求一種更高效便捷的治理方案，有效地達(dá)到對VOCs的防治和處理[2]。在國家十三五規(guī)劃工作方案中提出實(shí)施節(jié)能重點(diǎn)工程，其中大氣污染便是首要的重點(diǎn)減排工程。

1 VOCs的定義及來源

各國對于VOCs都有不同的定義，我國對于VOCs的定義如下：VOCs是在常溫下飽和蒸氣壓大于70Pa，常壓下沸點(diǎn)在260℃以下的有機(jī)物，或者在20℃條件下蒸汽壓力大于等于10Pa且具有一定揮發(fā)性的全部有機(jī)物。有的學(xué)者在制定該定義的時候，還考慮了VOCs的理化特性和環(huán)保意義這兩個方面的問題[3]。VOCs的成分復(fù)雜，涉及到烷烴、苯系物、鹵代烴、不飽和烴、氨氣、碳?xì)浠衔铩⒅悺⑷╊惖取？諝庵械膿]發(fā)性有機(jī)物對于人體健康和生態(tài)環(huán)境的危害有很大的影響。

VOCs來源主要分為室內(nèi)的和室外的，室外的主要是由工業(yè)生產(chǎn)、燃料燃燒、交通運(yùn)輸造成的，室內(nèi)主要是天然氣和煤炭的燃燒產(chǎn)物，還有一些清潔劑、家具等[4]。

2 VOCs的危害及監(jiān)測技術(shù)

對于人體的危害：VOCs本身帶有毒性，在某些醛類的有機(jī)物中含有VOCs，生活中常見于甲醛，一般使用甲醛水用于木材的防腐劑和膠合劑，一般體現(xiàn)在新房裝修。在新裝修的房子里，許多的木制材料通常會有甲醛的氣味，甲醛對人的眼、鼻、喉均有很大的刺激味道，會導(dǎo)致流淚、頭暈等癥狀，嚴(yán)重危害人的身體健康狀況。常見的芳烴類的是苯及苯的同系物，甲醛一般產(chǎn)生于煤焦油和石油的裂解產(chǎn)物中，經(jīng)常用于生產(chǎn)油漆和防水材料[5]。VOCs對大氣的危害主要體現(xiàn)在霾和光化學(xué)污染兩個方面[6]。霾是大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在大氣圈中，是能見度小于10 km的大氣中的普遍現(xiàn)象，霾的形成是大量氣溶膠粒子聚集后產(chǎn)生的結(jié)果，它的出現(xiàn)標(biāo)志著具有高的氣溶膠的濃度，而光化學(xué)現(xiàn)象是造成光化學(xué)污染的主要原因，也是城市中區(qū)域臭氧生成的間接性的主導(dǎo)者。

鑒于以上提及的VOCs對于人類的危害，對于生活中這些常見的空氣污染，我們應(yīng)做到對其進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。在生活中已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用的VOCs監(jiān)測技術(shù)有膜萃取氣相色譜技術(shù)和激光光譜技術(shù)(TDLAS)[7-8]。膜萃取氣相色譜技術(shù)在監(jiān)測VOCs時，主要是將VOCs通過中空纖維膜，使VOCs選擇性通過膜之后進(jìn)入惰性氣體中，在阱中VOCs被收集起來、濃縮，通過直接電加熱，在一段時間之后注射的脈沖導(dǎo)入連續(xù)進(jìn)樣。激光光譜技術(shù)主要是利用自身具有的激光密度高，光子通量大來進(jìn)行監(jiān)測的。

3 VOCs的防治措施

結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，目前已有如下對于VOCs的防治措施。

3.1 光催化法

光催化法的原理是利用光催化劑(常見的例如TiO2、ZnO2、CdS等)與揮發(fā)性有機(jī)物相互接觸，光催化劑在反應(yīng)過程中受到光照后會產(chǎn)生電子空位對，經(jīng)過氧化等反應(yīng)，在催化劑表面生成H2O、CO2等無污染的物質(zhì)，從而達(dá)到降解的目的[9]。目前，我們可以利用光催化法處理醛類和苯系物。在處理醛類等揮發(fā)性有機(jī)物時，在常溫常壓下通過可見光進(jìn)行照射，通過光催化劑降解大氣中含有的甲醛，其實(shí)驗(yàn)后的降解率高達(dá)98.3‰。在實(shí)驗(yàn)過程中，采用同軸三筒式流化床光催化反應(yīng)器，主要是為了使紫外光的光子與光催化劑、氣體三者更好的融合，便于更好地提高光催化劑的吸附性能和催化性能。在光催劑中摻雜貴金屬，選擇適宜的吸附材料、協(xié)同O3工藝，結(jié)合流化床反應(yīng)器，能更好地使用光催化劑處理醛類物質(zhì)能力的提高。在處理苯系物時，同樣是摻雜了貴金屬的光催劑的效果要顯著一些。所以，在利用光催化法時，摻雜Pd、Cu+能提高光催化劑對可見光的吸收，從而提高光催化劑處理苯系揮發(fā)性有機(jī)物的性能。選用合適的吸附材料或者TiO2等均能提高處理苯系物的催化性能，通常降解率都在90‰以上。

3.2 生物法處理VOCs

VOCs生物法凈化的原理主要是使附著在濾料介質(zhì)中的微生物在適宜的環(huán)境下，把廢氣中的有機(jī)成分作為碳源，提供能源，維持其微生物的生命活動，有效地將有機(jī)物分解為H2O、CO2的過程[10]。其過程主要是使VOCs由氣態(tài)過渡到固液態(tài)，在固液態(tài)的液相中，被微生物分解。需要注意的是，目前生物法只適用于處理低濃度的有機(jī)廢氣，對于高濃度廢氣的處理還需要進(jìn)一步研究；生物法所采用的填料的大小、間隙、比表面直接影響反應(yīng)器中的的生物量的多少，以及填充床是否堵塞等問題，這些都是需要利用生物法處理揮發(fā)性物質(zhì)需要面臨的問題。

3.3 等離子體技術(shù)

等離子體技術(shù)是利用等離子體(由離子、電子、中性粒子和自由基組成)裝置對VOCs進(jìn)行降解[11]。主要是采用電暈放電技術(shù)，即將含VOCs的廢氣通過非均勻電場，利用電暈放電使得氣體內(nèi)部產(chǎn)生“雪崩放電”的過程，從而出現(xiàn)大量的自由電子，這些電子在電場的作用下，可以獲得很高的能量，打破有機(jī)物組分的C-H、C-O、C=C鍵等，從而破壞有機(jī)物的結(jié)構(gòu)。電暈放電可以產(chǎn)生一些強(qiáng)氧化性的物質(zhì)，進(jìn)而更容易氧化有機(jī)物，從而達(dá)到降解效果。使用電暈法處理VOCs有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：高的能量利用率、高效率、費(fèi)用較低等。

3.4 吸附處理技術(shù)

吸附法主要是采用多孔性的吸附劑來處理流體混合物，使吸附劑中所含的一種或多種組分的有機(jī)物通過濃縮后富余在其表面上，從而達(dá)到分離的目的[12]。吸附法對于處理VOCS這種物質(zhì)的應(yīng)用廣泛，一般用于低濃度且高通過量的有機(jī)廢氣(如含碳?xì)浠衔飶U氣)的凈化，可行性高，凈化效率高、操作便利，主要是可以通過自動化技術(shù)進(jìn)行控制。不足之處便是吸附容量受限，不能很好地處理高濃度有機(jī)氣體。如果廢氣中含有類似膠粒物質(zhì)和其他雜質(zhì)的存在，吸附劑容易失效，容易造成資源浪費(fèi)。吸附法的最重要的地方在于對于吸附劑的選擇，吸附法可以和其他的凈化方法一起聯(lián)合使用治理工業(yè)上產(chǎn)生的有機(jī)廢氣，據(jù)實(shí)用可知，采用液體和活性炭合成吸附去處理高濃度的可回收苯系物廢氣，這樣的凈化結(jié)果不僅克服了兩種方法個體實(shí)用時遇到的問題，而且還具有吸附效率高，無二次污染等特點(diǎn)，踴躍為直接性替代兩種單一的吸附方法，成為更為有效地聯(lián)合技術(shù)。

3.5 沸石轉(zhuǎn)輪吸附-熱空氣吸附催化燃燒對VOCs的治理技術(shù)

沸石轉(zhuǎn)輪吸附法治理原理主要是利用沸石大的吸附面積和在溫度不同時分子間作用力不同的原理而得[13]。此法主要通過催化分解的技術(shù)，在低溫狀態(tài)下，通過吸附風(fēng)機(jī)把帶有VOCs的氣體經(jīng)過過濾箱過濾掉大顆粒的物質(zhì)，然后經(jīng)過沸石分子篩轉(zhuǎn)輪進(jìn)行吸附，經(jīng)過轉(zhuǎn)輪的氣體可以排出，當(dāng)含有大量的VOCs的沸石經(jīng)過高溫脫附區(qū)時，沸石轉(zhuǎn)輪機(jī)中的熱空氣氣體將沸石轉(zhuǎn)輪上的VOCs分子脫附轉(zhuǎn)化為高濃度的廢氣，利用脫附風(fēng)機(jī)直接送入后端的催化燃燒系統(tǒng)，進(jìn)行催化燃燒處理，在這個過程中，分解產(chǎn)生的熱量部分經(jīng)過內(nèi)部換熱再次進(jìn)入催化燃燒系統(tǒng)，降低能量損耗，而被分解后的氣體直接排放到空氣中。整個過程中，電控系統(tǒng)嚴(yán)格控制催化過程中產(chǎn)生的熱量。當(dāng)超過設(shè)定值時，調(diào)節(jié)脫附管路的自動閥門通過補(bǔ)冷風(fēng)降低廢氣濃度，減少熱量的生成；系統(tǒng)中兩部分子系統(tǒng)相互結(jié)合，反復(fù)循環(huán)，沒有VOCs產(chǎn)生，設(shè)備停止運(yùn)行，為了提高設(shè)備的循環(huán)壽命，可以增加一個降溫系統(tǒng)，從而增長設(shè)備的使用年限。

4 結(jié)論

隨著科技的發(fā)展進(jìn)步、各個工業(yè)的廢氣排放也在增加，空氣中揮發(fā)性有機(jī)物對人類的危害不斷加深，對于VOCs的監(jiān)測及治理，備受人們的重視。縱觀目前的處理技術(shù)，仍有很大的發(fā)展空間，如何尋找出高效、無污染的綠色VOCs治理技術(shù)將是我們未來應(yīng)當(dāng)深入研究和解決的問題。