揮發性有機化合物末端治理技術研究

王曉靜

（寧夏匯晟環保科技有限公司，寧夏 銀川 750002）

揮發性有機化合物（VOCs）末端治理技術可分為單端處理和復合端處理兩種。本文論述了我國VOCs單端處理工藝的原理、應用現狀及發展前景，介紹了工業化復合尾氣處理工藝在VOCs減排中的應用，分析和探討了VOC終端治理技術存在的問題，旨在為未來終端治理技術的研究和發展提供參考。

1 揮發性有機化合物污染的相關概述

1.1 揮發性有機化合物的概念及危害

目前，學術界對“揮發性有機物”這一物質概念還沒有形成統一的明確界定。根據世貿組織規定，揮發性有機物指在常溫下，沸點在50～260 ℃的有機物[1]。但在我國規定：揮發性有機化合物為可揮發性有機化合物，其蒸壓大于70 Pa，常壓低于260 ℃或20 ℃的溫度范圍內蒸氣壓不小于10 Pa。

就目前而言，從化學的角度，揮發有機化合物可以劃分為八大類，即：烯類、烷類、酯類、酮類、醛類、芳烴類、鹵烴類和其他化合物。揮發性物質進入空氣后，會對人的眼睛和呼吸道產生不同程度的刺激，從而引發過敏、咽痛、頭暈、乏力等癥狀。不同的化合物成分通過呼吸道進入人體后，也會發生不同的污染效應。舉例來說，如果一個人長期處于甲醛含量超標的空氣環境中，就會出現不同程度的甲醛中毒現象。如果中毒較輕，可能出現鼻咽不適、惡心、頭痛等癥狀；如果中毒過重，可能出現血壓急降、休克性昏迷、呼吸困難等癥狀，嚴重時可危及生命。此外，甲醛還是WTO《致癌物質清單》中的一類。因此，做好VOCs污染治理工作，對保證環境穩定清潔、維護人類健康和安全具有重要意義。

1.2 揮發性有機化合物的來源

VOCs的來源具有明顯的多樣性和復雜性，分為室內污染和室外污染。VOCs主要產生于室外大氣環境中的工業污染，如化工企業的煙塵、汽油廢氣以及這兩種物質在紫外線照射下的光化學污染；在室內有限的空氣環境中，VOCs主要產生于染色地毯、墻面涂料、裝飾、家具和電器。此外，汽車涂料、室內裝飾、工廠化工原料等都是室內有限環境中常見的VOCs來源[2]。

從實際來看，由于VOCs污染的種類和來源都比較復雜，我國還沒有形成覆蓋廣泛、內容詳盡的標準體系，因此VOCs污染治理工作任重而道遠。

2 單一末端治理技術

目前，國內外普遍采用的單一末端處理技術是回收技術和銷毀技術?；厥占夹g利用選擇性吸附、滲透膜改變溫度和壓力來回收VOCs，如吸附、凝結、膜分離等。銷毀技術利用燃燒、光催化、生物降解和等離子體技術等特殊技術，通過熱、光和微生物的作用，將 VOCs轉化為CO2、H2O等無機小分子化合物實現廢氣治理。單一末端治理技術對比分析見表1。

表1 單一末端治理技術對比分析

從表1可知，吸附技術凈化效率較低，并且需要額外的再生費用；冷凝和催化燃燒技術需要消耗大量能源，膜分離和等離子技術提供能源的成本高昂；生物和光催化技術反應緩慢。吸附和催化燃燒兩項分別占總處理工藝的38%和22%。但是生物技術、光催化技術、低溫等離子體技術等在實驗室中研究比較少，應用也比較少。因此在確定VOCs處理工藝時，我們要針對企業的實際情況合理選擇排放特征和經濟指標。

3 組合末端治理技術

工業廢水VOCs成分復雜，治理難度很大。單一處理技術在凈化效率、安全性、經濟性等方面存在著一定的局限性。因此，混合減排技術已經成為目前VOCs減排技術研究的熱點之一。接下來我們將介紹幾種組合端的處理方法。

3.1 吸附濃縮—催化燃燒技術

自80年代以來，我國就開始對吸附濃縮催化燃燒技術進行研究。國家防化院于1990年開發了催化燃燒固定床濃縮有機廢氣裝置，并于1997年投入工業化生產。用蜂窩狀活性炭作為吸附材料，非貴金屬作為催化劑，利用FCJ有機廢氣處理裝置對福州市某鞋廠的三苯有機廢氣進行處理，平均凈化率達86.3%，其整個流程由噴射模塊、干燥模塊、吸附模塊和燃燒模塊組成，詳見如圖1。

圖1 吸附濃縮催化燃燒技術工藝流程圖

我國自主創新的VOCs處理技術集吸附、濃縮、催化燃燒為一體。處理技術先進，生產效率高，應用廣泛，無二次污染，經濟效益顯著。在空氣預處理和吸附回收中使用燃燒產生的熱能可達到節能環保的目的，平均凈化效率在95%以上，應用十分廣泛。

3.2 冷凝—催化燃燒技術

冷凝—催化燃燒技術是指VOCs中含有水汽的有機廢氣經過冷凝處理后，剩余的不凝氣催化燃燒技術，即VOCs廢氣首先進入冷凝器，冷凝廢氣中的可凝物與顆粒液滴結合后形成較大的液滴，沉淀物在冷凝器中比較容易清除。冷凝不掉的非冷凝氣體通過風機送到熱交換器，加入助燃劑催化燃燒反應，使之達到排放標準。工藝流程如圖2所示。

冷凝—催化燃燒控制技術使系統溫度下降，提高了VOCs處理的極限濃度，減輕了催化燃燒的負荷，提高了安全性和穩定性，但在處理過程中傳熱能耗增加，成本上升。冷凝液的綜合利用也是一個亟待解決的問題，目前在工業上的應用范圍很小，還沒有實現規模化生產。

3.3 吸附—冷凝技術

吸收—冷凝法是利用冷凝法回收高濃度煙氣的一種方法，吸附技術用于后端處理低濃度不凝氣。冷凝法凈化中、高濃度煙氣，其凈化效果穩定，但低濃度和多組分煙氣凈化率較低，冷凝法與吸附法結合使用可有效提高煙氣處理的濃度范圍。此外，凝結后可以降低尾氣中雜質的含量，從而降低了雜質對活性炭結構的破壞，提高了活性炭的使用壽命。采用凝結法處理，避免了吸附過程中活性炭溫度升高而引起自燃的隱患。主要設備有過濾器、引風機、冷卻器、活性炭纖維吸附器等，生產工藝如圖3。

吸收—冷凝技術多應用于國內油氣回收。吸收—冷凝法處理其他多組分VOC氣體仍然處于探索階段，對于不同成分和濃度的氣體，還需從吸附劑、冷凝劑的篩選和設備結構的改進等方面進行深入研究。

3.4 吸附—光催化技術

吸收—光催化技術是通過吸附材料將VOCs吸附，在紫外光照射下，VOCs被降解成CO2和H2O。該技術還可以吸收反應過程中的有害副產物，減少二次污染。本方法包括預處理、吸附和光催化三個步驟，其工藝流程見圖4。

圖4 吸附—光催化技術工藝流程圖

吸附—光催化處理技術的裝置占用空間小，反應條件溫和，能耗低，安全可靠。但是由于空氣流動引起的催化劑損失以及環境參數的變化，使凈化效果變得不穩定。

3.5 低溫等離子體—光催化技術

低溫等離子體—光催化技術利用低溫等離子體技術，通過電子能量的碰撞把大分子轉化為小分子，再與光催化反應，注入等離子體反應器中，使之相互作用，協同凈化。相關設備包括過濾裝置、等離子反應器、除霧器等，如圖5所示。

圖5 低溫等離子體-光催化技術裝置示意圖

利用低溫等離子體-光催化技術處理低壓VOCs有機廢氣具有能耗低、副產物少、反應速度快等優點。該方法仍處于實驗研究階段，要想實現工業化生產，還需要尋找等離子體反應器與催化劑的最佳匹配方案，對二者協同作用的反應機理進行深入地研究?？傊?，通過研究人員的不斷改進與創新，該技術必將在市場上占有一席之地。

3.6 組合技術對比分析

我國VOCs末端處理技術的吸附、凝結等工藝多用于聯合處理系統的初級處理，見表2。與國外先進技術相比，仍處于相對劣勢階段。

表2 組合技術應用情況對比分析

4 結論

在VOCs綜合治理中，采用單一技術是當前我國VOCs治理研究的熱點，也是今后治理的主流[3]。要想實現大規模的推廣還應做到：（1）尋找新型催化劑，提高其性能，延長其使用壽命，并在催化燃燒和光催化中穩定運行；（2）結合工廠的實際情況，合理配置設備，減少占用空間；（3）深入研究合成過程的反應機理，使合成過程能夠安全、穩定地投入生產應用；（4）尋找最佳工藝技術，同時保證達標排放，且投資少，安全性高。