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行業動態

紫外光氧化/光催化技術——VOCs和惡臭廢氣污染控制裝備產品應用(五)

時間:2023-05-20 13:40:03 來源:

VOCs種類繁多,成分復雜,不同行業的VOCs氣體特征如流量、濃度具有較大差異。有研究表明,化學制品、醫藥制造、交通設備制造、印刷、電子及電信設備制造是產生VOCs氣體最多的前5個行業,分別占調研總案例的26%、13%、12%、8%和5%。大多數行業VOCs點源產生的VOCs濃度在102-104mg/m3范圍內。濃度較高的行業如石油加工、化工醫藥制造等,這些行業產生的濃度大多高于103mg/m3;濃度較低的如皮革、毛皮、羽絨制品等,其濃度一般低于500mg/m3。不同濃度的VOCs處理技術有較大差異,因此,掌握各行業產生的VOCs氣體濃度分布特征對發展VOCs治理技術具有十分重要的意義。


為滿足廣大業主單位和環保行業同仁對VOCs和惡臭廢氣污染控制裝備產品應用現狀等方面有關基礎知識的學習需求和行業普及,經征求專家同意,《VOCs前沿》據有關研究成果,通過本號平臺開展知識科普傳播(本篇已開啟“快捷轉載”,所有帳號均可轉載此圖文),擬分兩大版塊(逐章節)進行專題分享:

一、基于單項技術的設備與產品吸附、催化燃燒、熱力燃燒、生物法處理技術、紫外光氧化/光催化、冷凝回收、化學吸收、膜分離技術;下列打☑為已發布篇幅,點擊下方標題查閱);
☑1、吸附技術篇——VOCs和惡臭廢氣污染控制裝備產品應用(一)
☑2、催化燃燒篇——VOCs和惡臭廢氣污染控制裝備產品應用(二)
☑3、熱力燃燒篇——VOCs和惡臭廢氣污染控制裝備產品應用(三)
☑4、生物法處理技術篇——VOCs和惡臭廢氣污染控制裝備產品應用(四)
☑5、紫外光氧化/光催化篇——VOCs和惡臭廢氣污染控制裝備產品應用(五)
二、基于不同設備產品的組合工藝(沸石吸附+氧化工藝、低溫等離子體+吸收、選擇性吸收分離+吸附回收、水洗+除霧+光催化氧化、光催化氧化+等離子、VOCs膜組合工藝、泄漏檢測與修復。


紫外光氧化/光催化
基于單項技術的設備與產品

 

01

概述


紫外光(Ultraviolet light,UV)氧化技術是一種利用紫外光處理廢氣新型氧化技術。

技術原理:在高能紫外線的照射下,吸收光子形成激發態分子,當激發態分子能量大于化學鍵能時,發生化學鍵斷裂等多種光化學反應;同時,高能紫外線照射空氣中的氧氣和水分子激發生成臭氧和羥基自由基(OH)等強氧化劑(形成UV/O3激發氧化體系),轟擊VOCs分子發生氧化分解,將其徹底氧化為無機小分子物質。根據光化學第一定律(格羅塞斯-德雷帕定律)可知:只有當激發態分子能量足夠使分子內的化學鍵發生斷裂時,即光子能量大于化學鍵能時,才能引發光解反應。同時,為使分子能產生有效的光化學反應,光還要被所作用的分子吸收,即分子對某特定波長的光要有特征吸收光譜,才能產生光化學反應。
根據作用方式的不同可把光解分為直接光解和間接光解,間接光解又可分為光敏化氧化、光催化氧化和光激發氧化。
直接光解:待處理的有機物或者其他物質直接受到UV光照射而被分解,分解程度與光照波長、污染物特性以及環境條件有關。許多VOCs可在特定波長的UV光照射下被直接光解,不同種類的有機物由于其分子結構和取代基特性使得其被直接光解的難易程度也不同,當UV光的能量能夠打斷污染物的分子鍵能時,大部分機物可以被直接光解。如在185nm的UV光照下氯苯可以直接脫去氯原子、乙苯會脫去乙基等,并且結構中基團數量的增多將會增加這些物質對于直接光解作用的敏感程度。
光敏化氧化:UV光照射于反應介質中的其他物質(光敏物質),然后由這些物質將能量傳遞給待處理的污染物,而使其得到分解。常見的光敏化物質有Fe3+、Fe2+、腐殖酸、四吡咯類物質、四羥酮醇、多環芳香烴化合物等,有的通過吸收光能后轉變成更高價態的氧化態,有的則能夠產生氧自由基來降解污染物。一些研究還表明,在某些情況下這些光敏化物質可以使反應速率增加20至60倍。光敏化氧化雖然在處理有機廢水中有顯著效果,但由于大部分光敏化劑在氣相條件下無法穩定地吸收能量及傳遞能量,致使其在氣相光解反應中的運用還很少。
光催化氧化:在光解反應中加入催化劑,使得光解效率增加,甚至在低能量的UV光下都有很高的降解效率。由于光催化反應的條件非常溫和,因此能在常溫下降解多種室內典型有機污染物,如丙酮、苯、甲苯、乙酸等。常見的光催化劑中屬TiO2的催化效果最佳,在TiO2摻雜多種金屬元素(鉑、釩、鑭等)可以大大提髙其催化效果。光催化氧化主要依靠催化劑在吸收光能后產生氧化性極強的光電子空穴從而降解有機物。光催化氧化雖然可以利用較低能量的UV光降解污染物,但也存在著諸多問題,最主要是催化劑失活。大部分催化劑參與光解反應一定時間后,催化劑都會出現或多或少的失活現象,使得光解效率開始下降。有研究表明如果缺少水分子,催化劑會發生永久失活的現象,因為催化劑表面的OH—旦被消耗完則無法再生,所以相對濕度對于光催化氧化也是一個很重要的因素。還有其他的研究指出催化降解的反應動力學常數較小,反應速率難控制,光催化氧化的反應速率隨著壓力的減小而增大。
光激發氧化:光激發氧化是間接光解中最重要的一種,即UV光照射反應介質中的某些物質如H2O、O2、H2O2分子等,產生氧化性極強的激發態物質。如OH、O,這些氧化性極強的自由基與VOCs發生強烈的反應從而使VOCs分解礦化。其中屬OH具有極高的氧化電位(2.80 eV),氧化能力非常強,與大多數有機污染物都可以發生快速的鏈式反應,無選擇性地把有害物質最終氧化成CO2、H2O或小分子物質。
特點:與傳統的VOCs處理方法相比,UV光氧化技術是一種新型高效的揮發性有機物處理技術。由于UV光具有的能量可斷開大部分化學鍵,并且反應條件比較溫和,能在常溫常壓下進行,無需進行特殊的加熱、加濕等預處理,反應過程快速高效,運行成本也相對較低,可應用于各種難降解VOCs的治理。與液相UV光解相比,氣相UV光解則更具優勢:空氣吸收UV光的量相對水較少;光解離物質具有高遷移率,能阻止活性基團的再結合;有機物在氣相狀態下對UV光的吸收率要遠遠高于液相;氣相中過量氧氣的存在可以產生如臭氧等繼續反應的物質;氣相反應體系中不存在碳酸鹽和碳酸氫鹽等物質的干擾,使得有機物對UV光能的吸收作用更強,自由基產率更高,氧化速率更快;谏鲜鰞烖c,UV光解正日益在低水溶性、難降解VOCs類廢氣的治理中得到重視。但是將單一的UV光解法作為VOCs廢氣的凈化工藝在技術上并不可靠,其主要局限在于UV光難以將VOCs進行徹底的降解,而且在的光氧化過程中易產生一些對健康和環境有毒害的反應副產物。如果要對所有的反應中間產物進行去除,將增大光化學反應器體積或降低處理負荷,但這在經濟上并不合算。在光解反應器的設計、不同物質氧化過程的基本原理及動力學等方面尚需進行深入研究。
適用范圍:以國家有關部門規定的適用范圍為準。

 

02

紫外光催化/光氧化相關設備


設備(產品)概述:紫外光催化/光氧化設備(見圖1)主要包括紫外箱體,紫外燈,控制柜,催化板。紫外箱體有碳鋼箱體和不銹鋼箱體。紫外燈分為有極紫外燈和無極紫外燈。有極紫外燈包括185 nm和253.7 nm雙波段紫外燈和253.7 nm單波段紫外燈?刂乒瘢嚎刂乒癜ㄗ贤鉄翩偭髌骱蜕嵘。鎮流器是紫外燈中起限流作用和產生瞬間高壓的設備,主要用于點亮紫外燈。催化板:包括催化劑及其載體。目前最常用的光催化劑是TiO2,常用載體有泡沫鎳,活性炭,分子篩等。

設備(產品)說明:目前應用最多的紫外燈(UV燈)是低壓汞燈,利用低壓汞蒸汽(1.3~13Pa)被激發后發射紫外線。185nm和253.7nm雙波段紫外燈和253.7nm單波段紫外燈的區別在于紫外石英燈管的材質不同。253.7nm紫外燈的燈管都采用石英玻璃制作,石英玻璃對紫外線各波段都有很高的透過率達80%-90%,是制作253.7nm紫外燈的最佳材料。普通的石英玻璃185nm的紫外光透過率不高,因此185nm和253.7nm雙波段紫外燈是用摻雜有特殊材料的合成石英作為燈管。紫外燈有熱陰極低壓汞蒸氣放電燈、冷陰極低壓汞蒸氣放電燈等幾種結構,可按外型和功率分為多種類型。有極紫外燈是目前光解光催化處理廢氣常用的紫外燈,見圖16其優點在于:工作性能穩定,能夠24小時不間斷運行;壽命長,在185nm紫外發光效率不低于9%的情況下,有極紫外燈壽命可達12000小時以上;可生產大功率產品,大功率的紫外燈照度強,更有利于降解有機廢氣;光電轉化效率高。

 

無極紫外燈(見圖3),由微波發生器、石英燈管和透明石英窗口組成。其發光過程可以簡單地劃分為4個階段:微波發生器將其產生的2450MHz的電磁波耦合到石英燈管中;燈內惰性氣體原子(如Ar)被激發;處于激發態的惰性氣體原子與汞原子相碰撞產生能量的轉移,汞原子從基態躍遷到激發態;處于激發態的汞原子并不穩定,返回到基態的同時產生光輻射。無極紫外燈理論壽命可達60000小時,而目前大功率電子鎮流器技術還沒有獲得根本突破,在高溫環境下,無極紫外燈的鎮流器壽命較短。目前技術條件下,無極燈實際壽命不足8000小時。同時,無極紫外燈發熱嚴重,意味耗電更多,光電轉化效率偏低。但是未來解決無極紫外燈的鎮流器問題,無極紫外燈會有廣泛的應用。

 

TiO2催化劑優點有廢氣中幾乎所有的有機物可被完全降解成CO2,H2O等,無機污染物被氧化或還原為無害物;不需要另外的電子受體;合適的光催化劑具有廉價無毒,穩定及可重復利用等優點;結構簡單,操作容易控制,氧化能力強,無二次污染;原料來源豐富,廉價;光催化活性高(吸收紫外光性能強;禁帶和導帶之間能隙大;光生電子的還原性和空穴的氧化性強)。
MnO2催化劑特點為在常溫下,MnO2催化分解臭氧有效率高、能耗小、無二次污染等特點,這樣既消除了臭氧對環境的污染,又提高了光催化氧化降解有機廢氣的效率,因而這一技術在廢氣凈化領域將會有很好的應用前景。
泡沫金屬是一種內部結構含有很多孔隙的新型功能材料,泡沫鎳(如圖4)內部成蜂窩狀結構,其密度小、孔隙率大、比面積大從而使其具有非泡沫金屬所沒有的特性,例如,阻尼性能好,流體透過性強,熱導率和電導率低等特性。由于上述特性,泡沫鎳適合作為廢氣催化劑的載體。

 

蜂窩活性炭(如圖5)具有比較面積大,微孔結構,高吸附容量,高表面活性炭的產品,在空氣污染治理中普遍應用。蜂窩活性炭本身就能吸附廢氣,即廢氣與具有大表面的多孔性活性炭接觸,廢氣中的污染物被吸附分解,從而起到凈化作用。使用蜂窩活性炭作為MnO2催化劑就更能體現蜂窩活性炭的特點,使廢氣充分與催化劑接觸,催化效率高,但是活性炭使用壽命不長,催化劑在其表面易脫落,因此要用于商業應用還需進一步研究。

 

光催化氧化設備對于廢氣的前處理要求較高,尤其對對廢氣的溫度、濕度及顆粒物濃度都有要求。廢氣濕度太高,水蒸氣會阻擋紫外線的傳播,同時,水蒸氣會吸收紫外光,進而影響紫外降解廢氣的效率。在顆粒物濃度過高的工況中,紫外設備長期運行后。顆粒物會附著在紫外燈管表面,紫外光會被完全遮擋,因此紫外燈需要定期維護。廢氣溫度高會影響紫外燈的光電轉化效率,一般紫外燈的最佳工作溫度在10 ~ 35 ℃。因此,當環境條件含塵含水量較高時,有機廢氣進入紫外光催化氧化設備,前端需設置除塵除霧裝置。
【參考文獻及說明



1、文中內容節選自《環保裝備產品工程應用后評估方法(VOCs與惡臭類)》,工業和信息化部委托課題,中華環保聯合會VOCs污染防治專業委員會承擔組織;

2、文中內容涉及有關裝備產品的技術參數和典型案例(含現場圖片)是行業案例征集所得,由企業自愿申報并經專家篩選后確定入選的。

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