工業揮發性有機物VOCs 的危害及治理技術研究

徐夢晏

（江蘇錫澄環境科學研究院有限公司無錫濱湖分公司，江蘇 無錫 214000）

隨著我國經濟建設的快速發展，工業廢氣排放日益增多，給大氣環境造成嚴重的污染，最近幾年，全國部分地區，尤其是重工業比較發達的城市，持續出現霧霾天氣，給人們的生活和安全造成較大的影響。霧霾天氣主要是由于大氣中存有大量的可吸入性顆粒（PM2.5、PM10），而可揮發性有機物“VOCs”，則是在經過一系列復雜的光化學反應后，可吸入性顆粒的主要組成部分，也是引起霧霾天氣的主要誘因之一。因此，本文將對VOCs 氣體的來源和危害進行探討，分析防治工業可揮發性有機物VOCs的處理技術，以供同行借鑒和參考。

1 可揮發性有機物的來源和危害

VOCs 主要包括天然和人為兩種來源，天然來源主要是由火山噴發、植物釋放和森林或草原火災等引起的，主要排放物質是單萜烯和異戊二烯；人為來源主要是工業生產所采用的溶劑排放和車輛尾氣排放，涉及的行業和排放的種類較多，主要包括含硫有機物、含氧有機物（醚、酮、醇、醛等）、含氯有機物、含氮有機物、非甲烷烴類（芳香烴、烷烴、炔烴、烯烴等）等，同時伴隨濃度大、強度高且排放時間長的特點。例如：制造行業的油漆噴涂、油墨印刷、人造板材、玩具涂料、膠黏劑、清潔劑、防腐劑等。

VOCs 的化學成分較復雜，一般帶有惡臭、刺激性等特殊氣味，尤其是甲醛、甲苯等苯類物質，對人的神經系統、免疫系統、心血管系統、肝和腎等臟器造成急性或慢性中毒，可致癌或突變。根據有關統計數據顯示，全世界每年約有160 萬人間接或直接死于VOCs 污染，是顆粒物和NO 的第三大空氣污染物。同時，VOCs 對生態環境和動植物的生長，也具有很大的破壞性。在太陽光的照射下，VOCs 分解成自由基和過氧基，引起光化學煙霧并生成二次有機氣溶膠，影響大氣臭氧層。

VOCs 的污染問題，已經引起世界各國的高度重視。我國自2012 年開始，由國務院批復《重點區域大氣污染防治“十二五”規劃》，正式提出VOCs 的防治目標，2013年再次發布了《大氣污染防治行動計劃》，2015 年頒布《中華人民共和國大氣污染防治法》，可以看出我國在VOCs污染治理問題上的重視程度，相對于污水和垃圾治理、脫硝等，對VOCs 的防治任務已經迫在眉睫且勢在必行。

2 VOCs 的處理技術

當前，對VOCs 的處理技術可以歸納為兩大類，其一是在生產過程中，取替易產生可揮發性有毒有害物質的原料、在密閉空間中生產或改進生產工藝技術，來實現降低或避免VOCs 的排放。在生產過程中控制VOCs 排放，是最佳的防治有機廢氣污染的方法，但由于現有技術的限制，各行業生產無法全部做到，實現難度較高；第二種是在生產末端，采取一定的技術或措施，消除或降低VOCs 排放量。VOCs 末端控制技術包括采取物理和化學兩種措施，物理措施是將VOCs 非破壞性回收再利用，主要包括吸附技術、吸收技術、冷凝技術和膜分離技術等，在控制VOCs 排放的同時，可節約資源并帶來經濟價值，適用范圍較廣。化學或生物處理措施，是將VOCs 破壞性處理成無毒或低毒物質，主要措施包括燃燒處理技術、生物技術。

2.1 吸附技術

當前，在對VOCs 治理領域中，吸附技術是應用最為廣泛的，該技術與其他方法相比，投資低、工藝簡單、凈化率高且能耗低。吸附技術關鍵在于其中的吸附劑，常用的有活性炭、人工沸石、活性氧化鋁和硅膠等，具有化學性穩定、細且密集的孔結構、耐高溫高壓、耐酸堿等特性。活性炭的孔容積通常為0.2～1.0cm3/g，比表面積為300～3000m2/g，與其他商用吸附劑相比，吸脫附容量更大且吸附動力更強，是首選的吸附劑。

活性炭吸附技術是利用吸附等溫線彎曲度的大小和斜率的變化，改變系統的壓力，以使吸附質在加壓狀態下吸附，在減壓狀態下脫附，是恒溫或無熱源的吸附分離過程。按照工藝方法，主要包括變壓吸附（PSA）和變溫吸附（TSA），變壓吸附自動化程度很高，可實現循環操作，但加、減壓的頻繁操作，對系統設備的質量要求較高，通常用于對高檔溶劑的回收；變溫吸附是利用在不同溫度下，吸附劑的吸附容量變化，來實現吸附和分離的循環。低溫下，吸附容量高，組分被吸附。高溫下，吸附容量低，已吸附的組分被脫附解吸，吸附劑再生，如此循環。常用的變溫吸附設備包括移動和固定床式吸附器，移動床式設備因容易磨損吸附劑且價格較高，較少采用；固定床式設備工藝相對成熟且回收效率高，應用范圍較廣。

2.2 吸收技術

吸收技術是將廢氣排放至填料塔或噴淋塔等設備中，使吸收劑和廢氣充分接觸，其中的VOCs 組分溶于吸收劑中，并從廢氣中分離。吸收技術有常壓常溫和常壓低溫兩種工藝，由于常壓低溫吸收技術，在吸收劑冷卻后，溫度要控制在243K 溫度以下，系統需要增加一套制冷設備，相對于常壓常溫吸收技術的能耗要高很多。吸收技術工藝的核心是吸收劑，不同的VOCs 氣體，吸收劑類別不同。例如：當采用潤滑油和植物油作為吸收劑，甲醇、四氯化碳、苯和甲苯的吸收率為70%、80%、90%和95%，當甲醇濃度＜1.34g/m3時，用水作為吸收劑效果較好。

吸收技術比較適合處理流量和濃度較高的VOCs 氣體，處理濃度較低的VOCs 氣體時，設備投資和運行成本較高。目前，行業內常用吸附-吸收聯合技術來處理低濃度的VOCs 氣體，以此降低投資和運行成本。這種工藝是利用吸附劑富集VOCs 氣體，再通過真空泵解析吸附劑得到高濃度氣體，最后由吸收塔吸收。沒有被完全吸收的氣體循環進入吸附罐內。

2.3 冷凝技術

VOCs 氣體的飽和蒸汽壓隨著溫度的變化而改變，根據這一特性，冷凝法利用系統對VOCs 氣體進行加壓或降溫，使氣態VOCs 凝結成液態，從混合氣體中脫離并實現回收再利用。

在一定的溫度下，混合氣體中的VOCs 濃度越高，脫除效果越好，適用于處理濃度高于25g/m3、高沸點、低溫度的有機廢氣，濃度低于25g/m3時，需要增加燃燒技術或吸附技術等作為前處理，以降低有機負荷。另外，該技術雖然工藝流程簡單，但處理過程需要配備液氨或冷凝水等冷凝介質，操作條件較為苛刻。

2.4 膜分離技術

膜分離技術是利用壓縮機或真空泵對廢氣進行加壓，使廢氣與具有滲透選擇性的聚合物復合膜表面接觸，由于該膜對有機氣體的滲透度約為空氣的10～100 倍，所以，有機氣體可以通過膜材料并從廢氣中分離。

常用的膜分離技術有蒸汽滲透工藝、氣體膜分離和膜接觸器。蒸汽滲透工藝與滲透汽化工藝類似，但采用的是硅橡膠膜，在VOCs 滲透過程中，溫度不高且不會發生相變，所以相對于滲透汽化工藝效率更高且節能；氣體膜分離是利用VOCs 透過膜的不同傳質速率以實現分離的過程，有國外學者利用該技術對汽車加油過程中揮發的汽油進行分離，汽油的回收率高于99%；膜接觸器是利用中空纖維微孔膜兩側流動的兩相介質，在膜表面或膜孔內接觸，避免兩相直接接觸而產生乳化現象，膜接觸器多用于膜基吸收技術中。膜基吸收技術的關鍵在于吸收劑的選擇，與其他技術相比，對廢氣所施加的壓力較低且不需要VOCs 通過膜，只需兩相流體各自流動并保持接觸界面穩定即可。

膜分離技術對VOCs 的回收效率較高，運行成本低、操作簡單且無二次污染，但前期對設備的投資費用較高，通常作為高濃度有機廢氣的預處理單元。

2.5 燃燒處理技術

燃燒處理技術是將廢氣排入燃燒室內，并向燃燒室內通入過量空氣，使VOCs 燃燒，分解成CO2和H2O 的過程。根據不同的燃燒方式和溫度，可區分為直接燃燒和催化燃燒。由于直接燃燒法是將VOCs 氣體作為燃料，所以燃燒室的溫度一般都高于1000℃，當溫度不夠時，需要添加輔助燃料，適用于VOCs 濃度或尾氣溫度較高的廢氣處理。當采用直接燃燒法處理含S 或N 等物質的氣體時，需對燃燒后的氣體再次處理。另外，由于直接燃燒過程存有明火且燃燒后的廢氣溫度較高，需要回收部分熱量，很多化工等企業不能使用；催化燃燒法是利用催化劑使VOCs氣體氧化分解，其處理過程溫度較低，不存在燃燒火焰，安全性較高，適用性更廣。適用于催化燃燒法的催化劑多為含Cu、Fe、Ti、Pd、Pt 等元素的金屬催化劑，例如：PdO/H-Beta 和Pt/H-Beta 催化劑，能夠對氯化烴類VOCs 氣體起到很強的催化分解作用。Au/TiOxNy催化劑，對丙醇、苯、已烷等有機氣體有較好的催化作用。但是，催化燃燒法對氣體處理條件的要求較為嚴格，當廢氣中含有霧滴或灰塵時，催化劑的處理效率和壽命都會受到影響，并且廢氣中不能含有As、P、S 等導致催化劑中毒的物質。

對于一些濃度和溫度低、風量大的VOCs 氣體，如果直接采用催化燃燒技術，需要耗費較多的輔助燃料，增加運行成本。所以，可利用吸附-催化燃燒技術組合，先富集一定量的有機物，再利用熱空氣吹掃，提高VOCs 氣體的濃度和溫度，為催化燃燒過程補充熱量并縮短了處理的時間。

2.6 生物處理技術

生物處理技術是通過微生物的轉化或降解作用，將VOCs 氣體轉變為低害或無害類物質。生物處理系統的生物洗滌塔中的多孔填料，其表面覆蓋有生物膜，當VOCs 氣體通過填料床層時，由于氣體的擴散作用，有機分子將被傳遞到生物膜內，并與生物膜內的生物產生化學反應，生成H2O、CO2和中性鹽等無機成分，實現廢氣的凈化目的。

生物處理技術能夠降解除含氯較多的有機分子外，幾乎所有的有機分子，而且VOCs 氣體的去除率可達95%，且該項技術設備的投資少、運行成本低，也不會出現二次污染。但生物處理技術的處理能力相對較低，不適用于濃度和風量較大的廢氣處理，并且無法對VOCs 進行回收利用，所以，該項技術一般用在處理惡臭類有機廢氣領域，例如：處理儲存的飼料所散發的臭氣和氨氣等。

3 結束語

VOCs 氣體對生物及環境有較大危害，而隨著工業化程度的快速發展，污染程度和范圍會進一步擴大。對于VOCs 氣體的凈化方案當前有很多種，而且隨著技術的發展，凈化技術會被不斷開發和更新。但是，任何單一的VOCs 處理技術，都會受其去除能力、適用范圍和成本等眾多因素的影響，需要結合VOCs 的成分，優化并組合各種技術方案，以提高VOCs 的去除率，降低成本，避免二次污染，實現人類的經濟發展與環境保護共存的目的。