膜法在廢氣處理中的應用

孫永嘉 費正連 王飛

摘? 要：簡要介紹了含硫廢氣和有機廢氣的來源與危害。較詳細地論述了中空纖維膜法、雙極膜法處理含硫廢氣，中空纖維膜法主要是使用利用膜上的微孔將氣、液兩相分隔開來，并利用吸收劑吸收煙氣中的硫;雙極膜法主要利用電能為推動力去除硫。吸收膜法、選擇性分離膜法、傳質分離膜法處理有機廢氣，主要利用吸收劑吸收廢氣中的有機物、膜對氣體的選擇性分離、不同物質在膜中的傳遞速度不同而處理有機廢氣。

關鍵詞：含硫廢氣? 有機廢氣? 膜法

Abstract： The sources and hazards of sulfur waste gas and organic waste gas were briefly introduced. The hollow fiber membrane method and bipolar membrane method are discussed in detail. The hollow fiber membrane method separates the gas and liquid phases by using micropores in the membrane， and to absorb the sulfur in the flue gas by using absorbent. The bipolar film method mainly uses electric energy as the driving force to remove sulfur. The absorption membrane method， selective separation membrane method and mass transfer separation membrane method are mainly used to treat organic waste gas， by absorbing the organic matter in the waste gas， selective separation of the gas by the membrane， and different transfer speed in the membrane.

Key Words： Sulfur waste gas; Organic waste gas; Membrane

目前世界各國都面臨著大氣污染問題，大氣污染物不僅可以通過呼吸道和皮膚對其周圍的人造成不可逆轉的傷害，同時還會造成二次污染、引起溫室效應，改變全球的氣候環境，所以廢氣的處理越來越受到大家的重視。大氣污染物主要是工業產生的廢氣。工業生產的工藝不同，產生的污染物種類也不同，所以不同污染物種類需要采用不同的處理工藝。

傳統的廢氣的處置方法有直接燃燒、催化氧化法、生物法、吸附法[1]等。膜技術在很早之前就受到大家的關注，但是最近才迅速發展起來，與傳統的方法相比有很多優點。膜技術的主要應用對象是流體，適用于廢氣和廢液的處理。膜技術主要采用電能、壓力或者化學位差等外界推動力，對流體進行分離、純化和濃縮[2]。膜技術分離效率高、工藝簡單、無二次污染，因此被廣泛應用到各個領域。目前已有大量的研究和應用使用膜技術進行煙氣脫硫和處理有機廢氣。

1? 膜法脫硫

目前，粉塵/可吸入顆粒物、二氧化硫、氮氧化合物、一氧化碳、揮發性有機化合物物等成為我國大氣的主要污染物，粉塵/可吸入顆粒物、二氧化硫主要是由于煤和石油的燃燒。含硫煙氣較為典型的處理工藝：濕式拋棄工藝、濕式回收工藝和干式工藝。隨著科技與經濟的快速發展，世界各國非常重視脫硫新技術的研究。

1.1 中空纖維膜吸收法

中空纖維膜吸收法，是利用膜上的微小細孔，利用擴散-吸收的機理，將膜和普通的吸收過程相結合，膜對于氣體是沒有選擇性的，對于氣體中的二氧化硫的選擇性吸收主要是依靠膜另一側的吸收劑決定的。利用膜上的微小細孔給氣、液兩相間提供傳質的場所[3-4]，與傳統的吸收過程相比，膜吸收法具有以下優點：膜層是氣、液兩相的界面，氣體和吸收液不需要混合，氣、液兩相各自獨立、互不干擾;氣體和吸收液的流量、濃度可以在較寬的范圍內變動;可以根據需求選擇膜面積，可以提供良好的氣液傳質界面。

煙氣中的SO2可以通過膜的細孔進入到液相的吸收劑側，并與吸收劑反應而被吸收，煙氣中的O2、N2等其他氣體被截留在氣相中。很多學者在中空纖維膜法煙氣脫硫方面做了研究。邢鵬[5]研究了吸收劑溶液為Na2SO3或NaOH，它與溶解后的SO2反應生成NaHSO3。使用電滲析技術，對NaHSO3進行再生。再生過程是以電位差為推動力，利用雙極性膜的水解離作用和離子交換膜的選擇透過性，使水解離為H+和OH-，其中OH-與NaHSO3反應生成Na2SO3，吸收劑再生后可以再次用于SO2的吸收。

大連化物所金美芳等[6]研究了以NaOH水溶液作為吸收液脫除SO2，并對脫除效果進行了驗證，結果表明中空纖維膜對SO2的脫除效果較好，其穩定性和重復性良好。

華東理工大學熊丹柳等[7]研究了以檸檬酸鈉、亞硫酸鈉、亞硫酸氫鈉溶液為吸收液，同時研究了不同膜液濃度時膜組件對煙氣中SO2的吸收率，經過實驗證明，檸檬酸鈉溶液對于SO2的吸收效果較好。

由于吸收法使用的吸收劑可能是堿性的，吸收SO2后為酸性，所以要求膜材料必須耐酸堿同時具有穩定性。

1.2 雙極膜法

雙極膜電滲析法煙氣脫硫循環使用氫氧化鈉，脫硫過程中只消耗電能，無固體廢棄物和廢液排放。同時，可以把煙氣中氣態的SO2轉變成經濟價值較高、純度很高的硫酸溶液，不僅解決了廢氣問題，同時產生了純度較高的硫酸溶液，具有很好的經濟效益。我國自主研發的雙極膜法煙氣脫硫技術已經在工業上應用成功[8]。根據研究的監測報告顯示，雙極膜法脫硫的SO2吸收效率在98%以上，所以排放的SO2濃度幾乎是零，完全符合國家排放標準。

膜法煙氣脫硫技術研究亟待解決的主要問題：一是開發運行穩定且價格合適的膜材料;二是開發經濟、高效的膜清洗劑;三是確定膜的選擇和應用標準;四是提高膜法脫硫的效率。此外膜是否抗污染、工藝的動力消耗等方面，對于膜技術的應用也非常關鍵。

2? 膜法處理有機廢氣

揮發性有機廢氣（VOCs）是指沸點在50℃～260℃、室溫下飽和蒸氣壓超過133.3Pa的揮發性有機化合物，其主要成分為烴類、鹵代烴、芳香烴等。環境中的有機廢氣不僅會造成嚴重的環境污染，產生光化學煙霧、形成酸雨等，對于人體的傷害也很嚴重，甚至會導致癌癥和其他疾病。VOCs處理越來越受到大家的重視，很多發達國家都頒布了相應的法令以限制VOCs的排放，VOCs處理也是大氣污染控制中比較重要的內容[9]。

2.1 吸收膜法

有機廢氣的組成復雜，采用膜吸收法處理有機廢氣，可以選擇性分離并回收有機廢氣。膜吸收法利用的推動力是膜兩側的濃度差，膜對于有機廢氣沒有選擇性，主要是吸收液可以吸收有機氣體，所以對于處理有機廢氣的膜，膜的材質必須避免有機溶劑的影響，否則有機溶劑可能會改變膜的性能，導致膜的傳質過程受到影響。同時，研究出一種對膜材質侵蝕性較小、對有機廢氣吸收能力更強的吸收劑，也是該法處理有機廢氣研究的一個重點。膜吸收技術[10-11]與其他的VOC凈化技術相比：具有穩定的傳質界面、比表面積大、傳質效率高，低能耗，裝置體積小，操作穩定等優勢;可以根據需求，選擇合適的膜面積，工藝易實現自動化連續操作，運行成本低;可以回收高純度的有機物，無二次污染的風險;容易實現工業化。

因此，開發經濟適用的膜材料、選擇與膜材質兼容的高效吸收劑、優化工藝操作參數、增強工藝的穩定性是研究的重點，可以讓膜吸收技術更好地應用在VOCs的治理上。

2.2 選擇性分離膜法

以壓力差為推動力，使廢氣中的有機廢氣透過膜，膜對于廢氣中的有機物具有選擇性，該膜對有機蒸氣較空氣更易于滲透。有機物可以透過膜，從廢氣中分離出來。分離膜是由分離層和支撐層組合而成，分離層具有分離性能，而多孔支撐層具有一定的機械強度。分離層材料一般均為具有高度選擇性的聚二甲基硅烷，能夠決定膜的分離效率，而支撐層對于膜性能的穩定性非常重要。常用的支撐層材料為聚砜、聚醚砜、聚酰亞胺、聚偏氟乙烯。

M. Leemann等[12]采用聚二甲基硅氧烷（ PDMS） 中空纖維半滲透膜分離空氣中VOCs，發現二甲苯、甲苯及丙烯酸等的通量是空氣的100倍以上。根據試驗結果進行的經濟可行性分析，發現在較高VOCs濃度和較低通量下，此工藝比傳統工藝有較大的經濟可行性。

選擇性膜分離技術常用于回收具有高價值的VOCs，尤其是處理鹵化碳氫化合物，較其他技術更有優勢。現在世界上已有近60套膜分離VOCs的裝置。在美國大部分裝置用來回收CFCs、HCFCs、氯乙烯等高價值產品：在歐洲和日本主要從石油運輸操作中，回收碳氫化合物。

2.3 傳質分離膜法

傳質分離法的基本原理是，膜不具有選擇性分離作用，而是在以壓力為推動力的作用下，混合氣體中各組分透過膜的傳質速率不同，從而分離出有機廢氣。目前多套膜分離的設備已在工業上應用，適用于回收氣體中的VOCs。

隨著大氣污染現象的日益凸顯，使用膜技術能夠有效地對廢氣中的揮發性有機物進行回收，可以為企業帶來經濟效益。

3? 結語

現階段，膜技術已成功地用于許多領域，受到各行各業的重視，應用增長最快的領域是控制水污染和大氣污染，既可以達到環保排放要求，又充分利用了資源。利用膜技術與其他工藝相結合，可以解決很多棘手的環境問題，同時節約成本，回收有價值的資源。當然膜技術還存在一些不足，但是隨著社會和經濟的發展及膜研究的深入，膜技術也會越來越成熟，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 高永坤，湯玲.精細化工行業有機廢氣治理措施綜述[J].節能環保，2018（11）：3369-3370.

[2] 蘇金坡，尹連慶，張亞琴，等.膜分離技術在環境工程中的應用[J].環境科學與技術，2004（27）：166-168.

[3] 薛娟琴，王召啟，洪濤，等.中空纖維膜吸收煙氣二氧化硫[J].廣東化工，2005（6）：8-14.

[4] 李進，姚永毅，葉海，等.中空纖維膜應用于煙氣脫硫的現狀與前景[J].四川環境，2007，26（1）：72-75.

[5] 邢鵬.膜法煙氣脫硫產物雙極性膜電滲析再生的研究[D].南京理工大學，2004.

[6] 金美芳，曹義鳴.膜吸收法脫除二氧化硫[J].膜科學與技術，1999，19（3）：44-47.

[7] 熊丹柳，鄧修.含浸液膜煙氣脫硫試驗[J].高等化學工程學報，1998，12（1）：133-138.

[8] 佚名.2014年煙氣脫硫新技術的應用[J].浙江電力，2015（1）：65-66.

[9] 樊奇，羌寧.揮發性有機廢氣凈化技術研究進展[J].四川環境，2005，24（4）：40-49.

[10] 汪涵，郭桂悅，周玉瑩，等.揮發性有機廢氣治理技術的現狀與進展[J].化工進展，2009，28（10）：1833-1840.

[11] 李睿.膜吸收凈化含苯廢氣及其傳質性能的研究[D].南京理工大學，2010.

[12] M.leem ann. Vapor Permeation for the Recovery of Organic Solvents from Waste Air Streams：Separa tion Capacities and Process Optimization[J].Membr. Sci，1996（113）：313-322.