揮發性有機物控制方法研究進展

朱 強，陳普明

(1.揚州大學 環境科學與工程學院，江蘇 揚州 225100；2.南京市溧水區晶橋鎮人民政府，江蘇 南京 211200)

1 揮發性有機物定義

揮發性有機物(volatile organic compounds，VOCs)的定義在不同國家，不同機構的定義不完全相同，世界衛生組織(WHO)將沸點在50～260℃的有機物稱為 VOCs，而極易揮發有機化合物(VVOC)是沸點在50℃及以下有機物質；德國DIN55649-2000 將在標準壓力下，初餾點或沸點在250℃及以下的任何有機化合物統稱為VOCs；我國在《“十三五”揮發性有機物污染防治工作方案》將VOCs定義為：揮發性有機物(VOCs)是參與大氣光化學反應的有機化合物，包括烷烴、烯烴、炔烴、芳香烴等非甲烷烴類、醛、酮、醇、醚等含氧有機物、含氮有機物、含氯有機物、含硫有機物等[1]。

2 揮發性有機物來源

VOCs的排放源按介質分可以分為大氣排放、水體排放、土壤排放；按照排放的主體來分可以分為自然源和人為源排放；自然源排放主要來自陸地植被的次生代謝反應，人為源即人類活動中產生的揮發性有機物逸散行為，其中排放量最多的為人類工業活動產生的。我國自然源和人為源排放VOCs的整體排放水平較為接近，年排放量在10～20 Mt的范圍內，然而在工業發達，人口集中的城市地區，人為源的排放量占主導地位，如長三角地區的人為源排放的VOCs的占比高達68%[2]，而在北京地區，人為源VOCs排放量是天然源的6～18倍。

不同的工業行業對VOCs的排放特征各不相同，石油化工行業排放量大、濃度高的特點，排放的成分主要有苯系物、有機氯化物、氟里昂系列、有機酮、胺、醇、醚、酯、酸和石油烴化合物等；電子制造行業排放濃度低，零部件噴涂環節排放量較大等特點，排放的成分主要有甲苯、乙苯、二甲苯、丙酮、丁酮等；再生橡膠制造行業有排放濃度高，硫化物污染嚴重的特征，排放的主要成分是甲硫醇、二甲基硫、二硫化碳、二甲二硫等[3]。

3 揮發性有機物的危害

VOCs種類繁多，成分復雜，是一類至少含有一個氫原子和碳原子的化合物，大多數易揮發，有惡臭，具有滲透性、脂溶性等特點。人們通過呼吸、誤食、皮膚接觸等方式接觸VOCs，從而導致頭痛、惡心、昏迷和抽搐等癥狀，甚至還會對人體的肝臟，腎臟、大腦和神經系統造成危害，且隨著VOCs的濃度增加癥狀越明顯[4]。人類對VOCs的成癮也是重要的危害之一，尤其是青少年，在吸食嗅稀釋劑時有一種進一步體驗的感覺，從而陷入慢性中毒的狀態。

VOCs不僅對人體產生危害，還對環境產生一定的副作用。VOCs在太陽光熱下和氮氧化物發生快速的光化學鏈式反應，形成過氧乙酰硝酸酯和臭氧等氧化劑和顆粒物，從而導致臭氧空洞和光化學煙霧等。雖然大多數VOCs不會導致溫室效應，但是其中的一些鹵代烴等具有溫室效應。

4 揮發性有機物的治理方法

目前，VOCs的治理方式主要分為兩類：其一是從產生VOCs的源頭控制，即通過優化工藝流程、完善設備等方式的前端控制；其二是對已經產生的VOCs進行治理的末端治理。由于VOCs的產生是不可避免的，所以對VOCs末端治理技術的研究一直在進行。末端處理技術又分為物理和化學兩類方法，物理法主要指吸附法、吸收法、冷凝法、膜分離法等；化學法主要是生物控制法、燃燒法、光催化法等方式氧化、分解VOCs來進行去除。

4.1 吸附法

吸附法是去除VOCs應用相對廣泛的方法，在我國控制VOCs的方法中，吸附技術的運用占比在50%以上。它的作用機理是通過吸附劑對氣體中的VOCs的吸附選擇性將VOCs分離出來[5]，適用于低濃度的VOCs的凈化。相較于其他處理技術，吸附技術具有操作簡單，去除效率高，富集能力強的優勢，但也極易受到溫度和VOCs濃度的影響，溫度低對吸附有利，低溫度降低氣體分子的熱運動，從而有利于吸附材料表面的吸附作用。在吸附平衡后，VOCs可能會出現脫附的現象，需要定期跟換吸附劑。

4.2 吸收法

吸收法的作用機理是通過液體吸收劑對VOCs中成分的不同溶解度進行分離，得以達到凈化效果。吸收法的核心在于吸收劑的選擇，適用于在吸收劑溶解度大的VOCs，方法簡單可行，效率高，但是由于吸收后需要再處理，可能帶來二次污染，為此我們要選擇便于使用和再生的吸收劑[6]。

4.3 冷凝法

冷凝回收技術是利用揮發性有機物在不同的溫度和壓力下存在不同的形態，將揮發性有機物分離出來，達到凈化的目的。適用于濃度大于5%的高濃度和高沸點的VOCs，然而運行過程需要高壓低溫，對高揮發性的VOCs去除效果不佳、運行成本高，并且處理后的氣體中還殘留一部分VOCs，需要進行二次處理。冷凝回收裝置如圖1。

圖1 冷凝回收裝置圖

4.4 膜分離法

膜分離技術是利用VOCs與其他氣體通過膜的能力與速度不同進行VOCs的分離，膜主要是人工合成的，也存在天然的膜材料。該方法具有普適性，適用于各種VOCs，主要用于可再次利用的有機物的分離，且回收率極高，高達90%以上，無二次污染。但該技術設備費用高，需要對膜進行定期清洗，防止膜堵塞，影響其效率。

4.5 生物氧化法

生物氧化法的作用機理是通過微生物利用VOCs作為碳源和能量，維持自身的生命活動來降解VOCs。將VOCs氧化，生成二氧化碳和水[7]。該方法適用于生物可降解的VOCs，無二次污染，運行費用低，但運行所需空間大，反應時間長，不適宜有毒物質，限制條件多，如微生物只能降解特定的有機物，對有機物具有選擇性，且微生物對溫度、pH、進氣濃度等有較高的要求。目前，該方法還處于實驗階段，未有大規模的工程實例。

4.6 燃燒法

燃燒法處理VOCs通常分為兩類，一類高溫燃燒法，另一類為催化燃燒法[8]。兩者都是利用有機物易燃燒的特性，將揮發性有機物(VOCs)充分燃燒后生成二氧化碳和水，一般公式為：

催化燃燒法利用催化劑可在較低溫度下燃燒VOCs，反應溫度一般在50℃以上，所需溫度低，凈化效率高，節約能源，無二次污染，當揮發性有機物濃度過低時，往往需要外界補充熱量。該項技術的關鍵在于催化劑的選擇，如貴金屬如Pt、Pd以及Rh等，雖具有高活性和選擇性，但價格昂貴。目前，國內外研究發現了如Mn、Cu、Co等來源廣泛且價格低廉的催化劑，雖其活性與貴金屬相比較低，但其對揮發性有機物的去除任有較好的去除效果。

高溫燃燒法是對可燃的VOCs氣體直接燃燒，燃燒溫度在700℃以上，VOCs的去除效率可高達95%～99%，能將有機物徹底分解，原理簡單，去除效率高，但由于可能產生其他污染物，浪費能源，近年來使用逐漸減少。

5 結語

我國在2016年12月20日《“十三五”節能減排綜合工作方案》(國務院頒布)中明確到2020年，全國揮發性有機物的排放總量比2015年下降10%以上。不難發現，國家對揮發性有機物的重視再次上升了一個高度。揮發性有機物(VOCs)由于其種類多，成分復雜，使用單一單元處理往往不能達到最終效果。因此，我們需要針對不同的VOCs，選擇復合型的處理工藝，取長補短，克服單一處理技術的不足，提高VOCs的處理效果。當然，源頭控制也是必不可少的，可以通過工藝的優化，減少其排放。