挥发性有机废气治理技术进展研究

引言

挥发性有机物（VOCs）是指在常温常压下饱和蒸汽压大于 133.32Pa 、沸点在 50～260^∘C 范围内的有机化合物，主要包括烷烃、烯烃、芳香烃等。VOCs 不仅会直接危害人体健康，而且是形成 PM2.5 和光化学烟雾的重要前体物，因此受到广泛关注。我国已将 VOCs 列为大气污染防治的重点，要求加强 VOCs 排放监管。传统的人工采样－实验室分析模式已不能满足VOCs 污染防治的需求，发展VOCs 在线监测技术势在必行。

1 挥发性有机废气概述

挥发性有机废气是一种以蒸汽方式存在的有机物，可分为烷类、烯类、芳烃类等，具有致癌致畸的风险。在常压常温下，挥发性有机废气多以气体的形态存在于大气中，但由于其化学性质较为活泼，可以在紫外线的作用下实现固液态并存。挥发性有机废气的相对分子质量较小，在自然环境下容易与其他物质发生化学反应。挥发性有机废气多来自交通运输和工业生产。随着我国汽车数量的持续增加，人们的生活和生产更加便捷，但也排放了较多的挥发性有机废气，导致大气中该气体的含量持续上涨。该类废气产生的光化学烟雾严重影响了农作物的正常生长。

2 挥发性有机废气污染防治

2.1 源头和过程控制

为减少有机废气的排放，建议采用低 VOCs 或者无VOCs 产品或技术，如使用水性涂料替代溶剂型涂料，可显著降低 VOCs 排放。此外，通过改进生产工艺和优化操作参数，可以进一步减少生产过程中的 VOCs 使用和排放。使用密闭式系统和设备，如喷漆房、密封式反应器，也是有效控制VOCs 扩散的方法。

2.2 膜基吸收技术的运用

膜基吸收技术是一种新型技术，主要利用有一定孔径和强度的膜片进行分离操作，具有分离效率高、能耗低等特点。根据膜材料的不同，膜基吸收技术分为聚偏氟乙烯（PVDF）膜、聚四氟乙烯（PTFE）膜、聚砜（PS）膜和聚苯硫醚（PPS）膜。首先，在挥发性有机废气治理过程中，运用膜基吸收技术能够充分吸收废气，提高气体处理效率。例如，在处理汽车尾气的过程中，可以使用该技术吸收处理汽车尾气中的一氧化碳、碳氢化合物等气体，减少尾气排放对大气环境的污染。此外，膜基吸收技术还适用于多种气体的吸收处理，但需要选择合适的膜材料并进行优化，以此提高其吸附性能。其次，中空纤维微孔膜能够在免受乳化问题的影响下，分离大气环境中挥发性有机废气包含的不同物质，是膜基吸收技术中的关键组成部分。膜基吸收技术对环境压力的要求不高，吸收剂的效果良好，且接触界面的稳定性也较为理想。最后，该技术能够有效降低系统运行能耗，经济成本相对较低，并能在此基础上有效提高回收率。膜基吸收技术虽然在不同流量中的适应性良好，能够在有效治理挥发性有机废气时处于持续工作的状态，但对吸收剂的要求较高，需要选择惰性、无毒的有机溶剂来进行处理。

2.3 差分吸收光谱法的仪器组成

DOAS 系统主要由光源、光学系统、检测器和数据处理单元组成。光源是 DOAS 的核心部件，可分为宽带光源和窄带光源。宽带光源如氙灯、卤钨灯等，发射连续光谱，可用于多种 VOCs 的同时测定；窄带光源如发光二极管、激光器等，发射特定波长的光，适用于单一 VOCs 组分的检测。光学系统包括反射镜、透镜等，用于将光束准直并聚焦到检测器上。检测器将光信号转化为电信号，常用的有光电倍增管、二极管阵列等。数据处理单元则完成信号采集、存储、拟合等任务，并根据 DOAS 算法计算VOCs浓度。此外，DOAS系统还需要配备采样池、气体校准装置等辅助设备。差分吸收光谱仪结构相对简单，但对各部件的性能要求较高，只有优化选型并协调配合，才能发挥DOAS 技术的最大优势。

2.4 低温等离子处理技术的运用

利用低温等离子技术治理大气环境中挥发性有机废体时，无需加热就能有效控制系统能耗，从而降低治理的投入成本。该技术主要是在外加电场与等离子物理化学反应的作用下，利用产生的高能粒子处理有机废气。一般情况下，低温等离子处理技术包括电子束照法、介质阻挡电法及沿面放电法等，这些方法对大气环境中挥发性有机废气的治理效果较好。若能在明确挥发性有机废气的具体情况的基础上完善系统，可以增强低温等离子技术的适应性。此外，运用该技术的过程中不会产生放射物和副产物，因而不会对自然环境造成负面影响。需要注意的是，低温等离子处理技术会受水蒸气的影响，且设备成本较高。

2.5 光催化燃烧处理技术

挥发性有机废气通过输送系统进入反应器，催化剂表面吸附有机物。光催化技术利用紫外或可见光激发电子形成电子－空穴对，参与氧化反应，将有机物转化为 CO₂ 和 H₂O_⨀ 。常用催化剂如 TiO₂ 和 ZnO 具有高反应活性，可再生延长使用寿命。反应器设计须考虑光照、催化剂形态及能耗，确保光线充分接触催化剂表面。废气从源头输送至反应器的过程，需要通过管道、风机等设备完成。光催化反应器是整个系统的核心组件，一般是光学透明的，以确保光线可以充分穿透到催化剂表面。光源的选择取决于催化剂的吸收特性。紫外光和可见光是常用的激发光源。光催化燃烧技术能够高效降解挥发性有机废气，将其转化为无害物质。废气在光催化反应中被完全燃烧，不会产生二次污染物。光催化燃烧技术适用于多种有机废气，包括VOCs 等。使用的催化剂通常具有一定的可再生性，可降低运行成本。该方法主要应用于印刷、涂装、化工、电子等行业中产生的有机废气治理。

2.6 微波催化氧化技术

微波催化氧化技术可以有效缩短有机废气的处理时间，且提高资源利用效率，减少浪费现象的发生，从而有效提升治理工作的经济效益。作为新时代的产物，微波氧化催化技术不仅能作为单项技术治理大气环境中挥发性有机废气，也可与多项技术相互配合，从而使挥发性有机废气的治理效果更快、更好。作为一项高科技新技术，微波催化氧化技术使用的吸附剂可以循环利用数十次，且吸附效果不受使用次数的影响，这不仅能高效精准地处理有机废气，还能在不影响环境的情况下将成本降至最低，因此该技术已广泛应用于大气环境的治理工作。然而，微波催化氧化技术还存在一些亟待解决的问题，只有在运用该技术时需持续引进新人才和研究新技术，才能使该技术更好地发挥作用。

结语

综上所述，随着对环境质量要求的不断提高，传统 VOCs 处理技术已不足以满足需求。须开发新处理工艺，具备适应性强、针对性高、二次污染少、去除效率高、投资费用低等特点。鉴于不同处理方法各自适用于不同应用场景的情况，单一处理工艺已经不足以满足当前的需求，多种工艺联合使用已逐渐成为未来主要发展方向。传统技术与新型治理技术相结合能够带来高经济效益等诸多优势，在大气污染治理领域具有广阔的工业应用前景。

参考文献

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