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燃烧污染物vocs控制技术
作者： 发布于：2018-05-08 17:48
摘要：
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一、Vocs介绍及控制技术的研究进展
Ⅰ、Vocs名片：
VOCs是挥发性有机化合物（volatile organic compounds）的英文缩写。其定义有好几种，例如，美国ASTM D3960-98标准将VOC定义为任何能参加大气光化学反应的有机化合物。美国联邦环保署（EPA）的定义：挥发性有机化合物是除CO、CO2、H2CO3、金属碳化物、金属碳酸盐和碳酸铵外，任何参加大气光化学反应的碳化合物。
世界卫生组织(WHO,1989)对总挥发性有机化合物（TVOC）的定义为，熔点低于室温而沸点在50～260℃之间的挥发性有机化合物的总称。有关色漆和清漆通用术语的国际标准ISO 4618/1-1998和德国DIN 55649-2000标准对VOC的定义是，原则上，在常温常压下，任何能自发挥发的有机液体和/或固体。
同时，德国DIN 55649-2000标准在测定VOC含量时，又做了一个限定，即在通常压力条件下，沸点或初馏点低于或等于250℃的任何有机化合物。
巴斯夫公司则认为，最方便和最常见的方法是根据沸点来界定哪些物质属于VOC，而最普遍的共识认为VOC是指那些沸点等于或低于250℃的化学物质。所以沸点超过250℃的那些物质不归入VOC的范畴，往往被称为增塑剂。
一般的VOCs包括：溶剂、航空煤油、油漆稀释剂、苯、指甲油清洗液、丁二烯、汽油、乙烷、柴油、甲苯、加热油、二甲苯、煤油等等
Ⅱ、vocs主要来源
其形成原因是该物质具有挥发性性能，在常温下会变成气体挥发。对环境和人体的影响具体还要看挥发性气体的种类，不同的种类有不同危害。
VOCS主要来源于各种溶剂，室内装饰材料如油漆、涂料、胶粘剂等，室内装饰用品，燃料燃烧，烹饪，环境烟草烟雾，化妆品等。研究表明，室内空气中VOCS的浓度明显高于室外，对于某些特定污染物（如三氯乙烯等）的暴露主要发生在室内环境中。
室内空气中的VOCS主要来源于各种建筑和装饰材料，如油漆、涂料、粘胶剂、室内装饰用品、空气消毒剂、杀虫剂等化工产品释放、燃料燃烧、烹饪、环境烟草烟雾，日用化学品等。
Ⅲ、vocs危害
有机废气是有害人体健康的污染物质，它与大气中的NO2反应生成O3，可形成光化学烟雾，并伴随着异味、恶臭散发到空气中，对人的眼、鼻和呼吸道有刺激作用，对心、肺、肝等内脏及神经系统产生有害影响，有些则是影响人体某些器官和机体的变态反应源，甚至造成急性和慢性中毒，可致癌、致突变，同时可导致农作物减产。
使泪膜的稳定性降低，泪液中细胞含量发生变化如白蛋白浓度增加，出现鼻咽部干燥、刺痛、鼻血、鼻塞并可出现咳嗽、声音嘶哑和嗅觉改变等。咽部检查可见咽喉充血、炎症。皮肤多见干燥、瘙痒、刺痛、红斑等。VOCS污染严重时可致神经精神机能失调及痴呆。许多VOCS还可导致过敏性肺炎。
国际癌症研究机构（LARC）已确认苯为人类致癌物，接触高浓度的苯（127.6mg/m3）有发生急性非淋巴细胞性白血病的危险；急性高浓度苯暴露还可引起中枢神经抑制和发育不全性白血病。
甲苯、二甲苯、乙苯在一定浓度时可对眼和上呼吸道粘膜产生刺激，并可引起疲劳、乏力、头痛、意识迷糊和中枢神经抑制；在高浓度时，可引起脑病和脑萎缩，导致共济失调。甲苯的急性毒性为神经毒性和肝毒性，二甲苯可产生急性肾毒性，神经毒性和胚胎毒性。
Ⅳ、vocs控制技术
预防性措施主要是防止泄露、使用低污染原材料、改变操作和运行条件。各类工艺可视情况组合使用。
从处理方式分，VOCs污染控制技术可分为回收技术和销毁技术、混合回收销毁技术。
㈠、回收技术
对于较高浓度（>5000 mg/m3）或者比较昂贵的具有回收价值的污染物一般采用回收技术，主要的回收技术有：吸附、吸收、冷凝、膜分离、膜基吸收技术等。
①吸附法
特征（适用情况、整体概括、优缺点等）：
主要用于低浓度，高通量的VOCs处理。应用广泛，具有能耗低，工艺成熟，去除率高，净化彻底，易于推广的优点，有很好的环境和经济效益。缺点是设备庞大，流程复杂，再生的液体不能回用, 这些液体必须进行处理,不仅可能造成二次污染, 而且增加许多处理成本,另外当废气中有气溶胶或其他杂质时, 吸附剂易失效。由于全过程的复杂性, 费用也相对较高。
原理：
吸附法是利用多孔性固体吸附剂处理流体混合物，使其中所含的一种或数种组分浓缩于固体表面上，以达到分离的目的。
进展、瓶颈：
决定吸附法处理VOCS的关键是吸附剂，吸附剂应具有密集的细孔、结构，内表面积大，吸附J性能好，化学性质稳定，不易破碎对空气阻力小，常用的有活性炭、氧化铝、硅胶、人工沸石等。目前，多数采用活性炭，其去除效率高，物流中有机物浓度在1000ppm以上，吸附率可达95%以上。
活性炭有粒状和纤维状两类。颗粒状活性炭结构气孔均匀，除小孔外，还有10 -100nm的中孔和1.5-5tm的大孔，处理气体从外向内扩散，吸附脱附都较慢;而纤维活性炭孔径分布均匀，孔径小且绝大多数是1.5-3nm的微孔，由于小孔都向外，气体扩散距离短，因而吸附脱附快。经过氧化铁或氢氧化钠或臭氧处理的活性炭往往具有更好的吸附性能，You等研究表明氧化后的活性炭具有更强的亲VOCs能力，吸附有效传质系数比未处理的活性炭大。
提高净化效率，吸附法常和常与吸收、冷凝、催化燃烧等方法混合使用。，可采用液体吸收和活性炭湿法吸附联合处理，浓度较高，而且可吸收的VOCs废气，如处理苯乙烯的工艺流程;如采用吸附一催化燃烧处理丙酮废气，避免两种方法的缺陷，具有吸附效率高，无二次污染等特点，集浓缩催化燃烧、脱附为一体。
特征（适用情况、整体概括、优缺点等）：
适用于浓度较高、温度较低和压力较高 V OCs 的处理, 液体吸收法是最常用的方法之
一。该法不仅能消除气态污染物，还能回收一些有用的物质，去除率可达到95%～98%。
吸收法的优点是工艺流程简单、吸收剂价格便宜、投资少、运行费用低，适用于废气流量较大、浓度较高、温度较低和压力较高情况下气相污染物的处理，在喷漆、绝缘材料、黏结、金属清洗和化工等行业得到了比较广泛的应用；其缺点是对设备要求较高、需要定期更换吸收剂，同时设备易受腐蚀过程较复杂, 费用较高。
原理：
吸收法是采用低挥发或不挥发溶剂对 V O Cs 进行吸收, 再利用有机分子和吸收剂物理性质的差异进行分离的 V O Cs 控制技术。
VOCs的吸收通常为物理吸收。根据有机物相似相溶原理，常采用沸点较高、蒸气压较低的柴油、煤油作为溶剂，使VOCs从气相转移到液相中，然后对吸收液进行解吸处理，回收其中的VOCs，同时使溶剂得以再生。当吸收剂为水时，采用精馏处理就可以回收有机溶剂；当吸收剂为非水溶剂时，从降低运行成本考虑，常需进行吸收剂的再生。
进展、瓶颈：
吸收效果主要取决于吸收剂的吸收性能和吸收设备的结构特征。
目前吸收有机气体的主要吸收剂仍然是油类物质。用液体石油类物质回收苯乙烯就是其中一例，由于工艺中可选择比吸附、催化燃烧装置处理气体能力大数倍的塔式吸收设备，因而设备的体积可做得小很多，设备费用也低，但很难找到理想的吸收剂，存在二次污染。
控制大气污染的重要手段之一，不仅能消除气态污染物，而且能将污染物转化为有用产品。由于其治理气态污染物技术成熟，设计操作经验丰富，适用性强，因而在废气治理中广泛应用。
利用VOCs能与大部分油类物质互溶的特点，用高沸点、低蒸汽压的油类作为吸收剂来吸收VOCs，常见的吸收器是填料洗涤吸收塔，用液体石油类物质回收苯乙烯就是一例，因苯乙烯极性弱，能与液体石油类物质很好互溶。为强化吸收效果，可用液体石油类物质，表面活性剂和水组成乳液来作吸收液。
日本的上殊勇等研究利用环糊精作为有机卤代物的铺集材料，将环糊精水溶液作为在有机卤代物和其他有机化合物共存时的吸收剂，对有机卤代物进行吸收。这种吸收剂具有无毒无污染，解吸率高，回收节省能源，可反复使用的优点。
特征（适用情况、整体概括、优缺点等）：
适用于高浓度高沸点小气量单组分的处理。该法对沸点60 ℃以下的VOCs 去除率可达80%-90%。对高沸点VOCs 的回收效果较好，对中等和高挥发性VOCs 的回收效果不好。该法常作为预处理和前级净化手段。
优点：对高浓度单组分废气的处理费用低 、回收率高。缺点：工艺复杂、复杂组分及中高挥发性组分，回收率低低，浓度废气处理费用高。
原理：
是将废气冷却加压，使其达到过饱和状态而冷凝，从气体中分离出来的方法。
进展、瓶颈：
冷凝法适用于处理废气浓度在约 4 1 5 *10- 4mo l/ L以上的有机蒸汽, 常作为其他方法净化高浓度废气的前处理, 以降低有机负荷, 回收有机物。存在的问题是: 冷凝法在理论上可达到很高的净化程度, 但是当浓度低于约 4 1 5 * 10- 7mol/ L 时, 须采取进一步的冷冻措施, 使运行成本大大提高。所以冷凝法不适宜处理低浓度的有机气体。
④膜分离法
特征（适用情况、整体概括、优缺点等）：
膜分离法最适合于处理VOCs浓度较高的物流，对大多数间歇过程，因温度、压力、流量和VOCs浓度会在一定范围内变化，所以要求回收设备有较强的适应性，膜系统正能满足这一要求。膜分离技术常用于废水处理，优点是流程简单、回收率高、能耗低、无二次染。缺点是设备投资费用高。
原理：
是根据混合气体中各组分在压力的推动下透过膜的传递速率不同，从而达到分离目的。目前常见的两种分离机理是：气体通过多孔膜的微孔扩散机理和溶解-扩散机理
该法是一种新型高效分离技术，装置的中心部分为膜元件，常用的膜元件为平板膜、中空纤维膜和卷式膜，又可分为气体分离膜和液体分离膜等。气体膜分离技术利用有机蒸气与空气透过膜的能力不同，使二者分开。
进展、瓶颈：
该法已成功地应用于许多领域，用其它方法难以回收的有机物，用该法可有效地解决。用该法回收有机废气中的丙酮、四氢呋喃、甲醇、乙睛、甲苯等(浓度为50%以下)，回收率可达97%以上。近几年来，国外的实验室研究分离VOCs使用得最多的膜分离材料是聚二甲
基硅氧烷PDMS。
它从结构上看属半无机、半有机结构的高分子，具有许多独特性能，是目前发现的气体渗透性能好的高分子膜材料之一。研究人员大多是采用聚枫PS、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚间苯二甲酸乙二酯PEI等材料作为支撑层，使用PDMS涂层堵孔，作为选择性分离层，选择性分离VOCs/N2或空气体系，都取得了理想的实验结果。
目前，我国采用膜分离法回收VOC的工作刚刚开始研究，离实现工业化应用还有一段距离。
⑤膜基吸收技术
特征（适用情况、整体概括、优缺点等）：
该净化技术对极性和非极性挥发性有机废气均能去除，小流量和大流量均能适用，而且它是一个连续过程，净化有机污染废气的效率很高，且可回收有机物。膜基吸收技术处理有机废气，具有流程简单、VOCs回收率高、能耗低、无二次污染等优点。
原理：
膜基吸收技术是采用中空纤维微孔膜，使需要接触的两相分别在膜的两侧流动，两相的接触发生在膜孔内或膜表面的界面上，这样就可避免两相的直接接触，防止了乳化现象的发生。与传统膜分离技术相比，膜基吸收的选择性取决于吸收剂，且膜基吸收只需要用低压作为推动力，使两相流体各自流动，并保持稳定的接触界面。
进展、瓶颈：
在膜基吸收技术过程中，中空纤维膜对挥发性有机废气进行吸收。吸收剂须对挥发性有机废气有很高的溶解性，而对空气中的其它成分基本上不溶解，而且吸收剂必须是一种惰性、无毒、不挥发的有机溶剂，吸收膜对挥发性有机废气的吸收在运行过程中，要始终保持气相压力比液相压力高，以保证膜气体的有效吸收。
研究试验表明，采用此方法对含有甲乙基酮、乙醇等的挥发性有机废气进行净化，去除效率可达90％以上。 化 工 进 展将变压吸附理论用于膜基吸收。由于壳程的挥发性有机废气的分压远远小于管程的分压，让废气间歇进入膜管内，当管内压力降到与壳程分压相近时，再通入废气，这样操作会提高挥发性有机废气的吸收效果。
㈡、销毁技术
对于中等浓度或低浓度（<1000 mg/m3）的VOCs 一般选择销毁的方法，常见的销毁技术有：燃烧法（直接燃烧、热力燃烧和催化燃烧）、生物法（主要是生物过滤、生物洗涤、生物滴虑三种）、光催化降解、电晕法、等离子体技术等等。
⑥燃烧法
燃烧法适合于处理浓度较高的 V OCs 废气。目前使用的燃烧净化方法有直接燃烧、热力燃烧和催化燃烧。
6-1直接燃烧
特征（适用情况、整体概括、优缺点等）：
适合于治理高浓度的有机废气。处理VOCs 浓度范围在5000-10000 mg/m3。直接燃烧法工艺成熟, 在适当的温度和保留时间下，可以达到99%的热处理效率。优点：在适宜的温度和保留时间下, 处理率可达 9 9% , 运行费用较低。 缺点：容易发生爆炸，并且浪费热能 产生二次污染，能耗高, 投资大, 易氧化空气中的 N2。
原理：
直接燃烧法是使VOCs 在较高温度下迅速转化为CO2和H2O，直接燃烧法温度一般在1100 ℃以上。
进展、瓶颈：
直接燃烧的废气由于本身含有较高浓度的可燃组分，它可以直接在空气中燃烧。
6-2热力燃烧
特征（适用情况、整体概括！优缺点等）：
热力燃烧法处理极低低浓度VO Cs的有机废气。优点是投资低，燃烧温度极低，无二次污染。缺点是费用高！
原理：
热力燃烧一般用于处理废气中含可燃组分浓度较低的情况。它和直接燃烧的区别就在于直接燃烧的废气由于本身含有较高浓度的可燃组分，它可以直接在空气中燃烧。热力燃烧则不同，废气中可燃组分的浓度很低，燃烧过程中所放出的热量不足以满足燃烧过程所需的热量。
因此，废气本身不能作为燃料，只能作为辅助燃料燃烧过程中的助燃气体，在辅助燃料燃烧的过程中，将废气中的可燃组分销毁。与直接燃烧相比，热力燃烧所需要的温度一般较低，通常为540～820℃。
热力燃烧，一般指利用燃烧辅助燃料所产生的火焰提高混合气体的温度，将废气中的可燃组分氧化或销毁。因此，产生火焰不是目的，而是一种提供热量的手段。在这种手段下，只要能够保证合适的温度，废气中的可燃组分就会得到销毁。
此外，在热力燃烧过程中废气主要走两路，一路作为辅助燃料燃烧时的助燃气体。另一路作为与高温燃气混合的旁通废气，混合以后的气体温度要达到能使可燃组分销毁的温度。在整个燃烧室中，热量不仅来自于辅助燃料的燃烧，在销毁可燃组分的过程中也会产生热量。
一般而言，对于大多数的碳氢化合物，每1％爆炸下限(LEL)在燃烧时放出的热量可以使温度升高15．3℃。因此，这部分热量也是不容忽视的。在一般的热力燃烧的工程中，为防止燃烧过程中的爆炸和回火，废气中可燃组分的含量应控制在25％LEL以下。
6-3催化燃烧
特征（适用情况、整体概括！优缺点等）：
适用于风量不大的废弃。催化燃烧技术自问世以来, 由于比热力燃烧具有更低的操作温度和可以在很低的浓度下进行操作, 使之成为目前最有前景的 V OCs 处理方法。优点：反应温度较低，处理率在 90% ~ 95%。缺点：催化燃烧法降低了燃烧费用, 但催化剂容易中毒, 对进气成份要求极为严格, 同时催化剂成本很高, 使得该法处理费用大大提高。而且废气流的不完全燃烧能产生比进入的气体更有害的尾气, 如,乙醛, 二恶英呋喃等。只针对特定类型的化合物反应, 能耗高、 投资大( 需贵重金属做催化剂) 、催化剂易中毒。
原理：
催化燃烧是发生在催化剂表面的完全氧化反应, 可使废气中有害可燃组分完全氧化为 CO2 和 H 2O。
催化燃烧是VOCs在气流中被加热，在催化床层作用下，加快VOCs的化学反应，用于VO Cs的净化的催化剂主要有金属和金属盐，金属包括贵金属和非贵金属。目前使用的金属催化剂主要是Pt,P d，技术成熟，催化活性高，但价格昂贵，而且对卤素有机物在含N,P,S等元素时，会发生氧化使催化剂失活。近年来，催化剂的研制主要集中在非贵金属，并取得了成果。如V205 + MOx (M:过渡族金属)+贵金属制成的催化剂用于治理甲硫醇废气;Pt+ P d+ C uO催化剂用于治理含氮有机醇废气。
由于 VO Cs废气中常出现杂质，易引起催化剂中毒。这些杂质有P,Pt ,Bi ,As,Sn,Hg,Fe2+,Zn,卤素等。
催化剂的存在使VOCs比直接燃烧法需要更少的保留时间和更低的温度。催热破坏能达到的热破坏效率在90%-95%之间，稍低于直接法，是由于VOCE在催化床层的停留时间长，降低了摧化剂有效表面积，从而降低破坏效率。另外，催化剂常见对特定类型化合物反应，所以，催化燃烧的应用就受到了限制。
催化剂载体起到节省催化剂，增大催化剂有效面积、减少凝结、提高催化活性和稳定性的作用。能作为载体的有:活性炭、氧化铝、石棉、陶土、金属等，最常见的是陶瓷载体，一般制成网状、球状、蜂窝状或柱状。而近年来研究较多且成功的有丝光氟石等。对催化燃烧而言，今后研究的重点与热点是探索高效活性催化剂及其载体，催化氧化机理。
V OCs 催化燃烧技术的核心是催化燃烧催化剂。目前,三苯V O Cs 催化燃烧催化剂的研究主要集中在贵金属催化剂( P t、 Pd 和 Au ) 和金属氧化物催化剂。
⑦生物法
常见的生物处理工艺包括生物过滤法、生物滴滤法、生物洗涤法、膜生物反应器和转盘式生物过滤反应器法。目前，在VOCS处理方面，膜生物反应器和转盘式生物过滤反应器还只限于实验室研究阶段；
特征（适用情况、整体概括！优缺点等）：
生物处理技术已逐渐成为世界研究的热点课题之一。将有机生物降解过程应用于有机废气的净化处理是近几年才开始的，是一项新兴的技术。由于微生物对各种污染物均有较强、较快的适应性，并可将其作为代谢底物而降解、转化。
优点：生物处理技术具有处理效果好、投资及运行费用低、安全性好、无二次污染、易于管理等优点；同时，由于废气生物处理吸收剂的再生可直接通过吸收剂中微生物的作用来实现，而不需要像理化吸收和吸附那样的专门设备，从而简化了工艺流程和工业设备，降低运行操作费用。
其缺点是由于氧化分解速度较慢，生物过滤需要很大的接触表面，过滤介质的适宜pH值范围也难以控制。
原理：
生物法的基本原理是：过滤器中的多孔填料表面覆盖有生物膜，废气流经填料床时，通过扩散过程，把污染成分传递到生物膜，挥发性有机物的污染物被吸附到空袭表面，与膜中生物相发生生物化学反应，降解成CO2、H2O和中性盐，从而使废气中的污染物得到降解。
除含氯较多的有机物分子难以降解外，一般的气态污染物在生物过滤器中的降解速率为
10 100 m3/h，生物过滤器对挥发性有机物的去除率可达95％，对恶臭物质达99％。生物法特别适合于处理气体流量大于17 000 m3/h、体积分数小于0.1%的VOCS气体。可在常温、常压下操作，净化效率高，抗冲击能力强，只要控制适当的负荷和气液接触条件，净化率一般都在90%以上；不产生二次污染，特别是一些难处理的含硫、含氮的恶臭物质以及苯酚、氰等有害物质均能被氧化和分解。
进展、瓶颈：
生物过滤法在工业应用中较多，但因生物过滤需要很大的接触表面，因此设备结构相对复杂，运行费用较高；
生物洗涤法对有些难于氧化的恶臭物质难于脱净；
生物滴滤法因具有可调节微生物营养供给和生长环境的优势更是成为国内外学者的研究热点，主要集中在不同目标污染物、高性能填料、高效降解菌和机理模型等研究内容上。
生物法处理有机气体在西欧、日本等国已得到广泛的应用，主要用于脱臭。目前掀起的研究热潮主要是将其应用到挥发性有机气体的控制方面(特别是难降解的一些低浓度的VOCs)，焦点在于如何有效地将气体污染物捕集下来，其它还有以下几个方面需要进行大量基础性研究：
①驯化适当的微生物来针对特定的有机污染物，以提高单位体积的生物降解速率；②选择适当的填料，提高填料的表面性质及其使用寿命；③建立微生物降解的动力学模式，选择恰当的运行参数，建立系统完整的运行模式等。
今后研究应解决的关键问题:生物降解动力学的深入探索;微生物菌种种类;无机营养物、pH值缓冲、空气熔透性及工作温度等的影响。
⑧光催化降解法
特征（适用情况、整体概括！优缺点等）：
广泛适用于各类环境处理，特别适用于难以用生物法降解的有机物。光催化氧化法是近年来日益受到重视的污染治理新技术。对VOCS降解率可达到90％～95％。优点：光催化氧化具有选择性，反应条件温和（常温、常压），催化剂无毒，能耗低，操作简便，价格相对较低，无副产物生成，使用后的催化剂可用物理和化学方法再生后循环使用，对几乎所有污染物均具净化能力等优点。缺点：在光催化过程中, 对催化剂的要求较高, 催化剂活性易降低。
原理：
该技术是指在一定波长光照下，利用催化剂的光催化活性，使吸附剂在其表面的VOCS发生氧化还原反应，最终将有机物氧化成CO2、H2O及无机小分子物质。
进展、瓶颈：
光催化氧化技术处理VOCS具有反应效率高、不受溶剂分子影响、易回收、反应速率快等优点，但这项技术还存在几个关键的技术难题。近年来，已有不少学者提出解决以上问题的方案。
如针对TiO2进行掺杂、贵金属表面沉积、半导体复合、表面光敏化或超强酸化及微波制备等，以提高TiO2的光催化量子效率或可见光的利用率；采用溶胶-凝胶法、金属有机化学气相沉积法、阴极电沉积法等多种方法，并通过改变干燥、焙烧等条件以制备既牢固又具有优良光催化活性的Ti/O膜；把微波场、热催化、等离子体等技术与光催化耦合，应用于有机污染物的气相光催化降解，以提高光催化过程的效率等。
光催化氧化技术现阶段还处于实验室小型反应系统向大规模工业化发展的阶段，要投入实际应用还有待继续研究。