挥发性有机化合物的去除方法研究进展.pdf

介绍了挥发性有机化合物(V O C s)的种类和危害,对比现有去除技术的优缺点,分析了VO C s处理技术的发展现状,展望了V O C s处理技术的未来发展趋势。关键词:挥发性有机化合物 降解 去除方法中图分类号:X 7 0 1 文献标识码:A D O I:1 0.2 0 0 7 5/j.c n k i.i s s n.1 0 0 3-9 3 8 4.2 0 2 3.0 4.0 1 9 挥发性有机化合物(VO C s)是一类复杂的有机物,它们具有持久性或难降解的性质,已成为环境中一类重要的有机污染物。VO C s作为除硫化物和氮氧化物外第三大空气污染因素1-2,部分具有毒性和致癌性,危害人体健康。控制VO C s的排放及其治理工作迫在眉睫。本文介绍了空气中常见的VO C s及其危害,并对VO C s的处理技术进行了总结和讨论,展望了VO C s处理的未来发展趋势,为VO C s的高效处理和新技术的工业应用提供参考。1 空气中常见的挥发性有机物VO C s包含的物质众多,按照化学结构可以分为烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃、卤代烃、芳香烃衍生物、含氧挥发性有机物及其他共8类化合物,如表1所示。常温下,它们的蒸发速率大,多数有毒,易挥发,污染环境,危害人类健康3。总体来说,VO C s具有较强的刺激性和毒性,即便是低浓度也会对人体健康和生态环境造成显著危害。2 V O C s的处理方法2.1 物理方法常见的处理VO C s的物理方法包括吸附法、吸收法、冷凝法以及膜分离技术,而膜分离技术相 收稿日期:2 0 2 3 0 2 1 7;修改稿收到日期:2 0 2 3 0 6 0 6作者简介:黄 雨(2 0 0 1),女,本科在读基金项目:国家自然科学基金面上项目(2 2 2 7 8 3 2 1),天津市大学生创新创业训练计划项目(2 0 2 2 1 0 0 5 7 0 9 0)*通信联系人,E-m a i l:z h a n g c h a o z h e n g t u s t.e d u.c n67 精 细 石 油 化 工S P E C I A L I T YP E T R O CHEM I C A L S第4 0卷 第4期2 0 2 3年7月表1 常见的V O C s及其危害类别常见有机物危害4-烷烃丁烷、戊烷、环己烷急性中毒、吸入性肺炎、慢性中毒烯烃乙烯周围神经病炔烃乙炔急性中毒、弱麻醉、头晕昏迷芳香烃苯、甲苯、二甲苯等自律神经障碍芳香烃衍生物苯酚、苯胺、硝基苯腹泻、恶心、致癌、日光性皮炎卤代烃氯仿、二氯甲烷等免疫系统病变含氧V O C s丙酮、甲醇、甲醛、异丙醇等末梢神经障碍其他二甲基甲酰胺、己二腈等消化器官障碍、呼吸道病变对于其他传统方法具有一定的优势,见表2。表2 V O C s的物理处理技术比较指标吸附吸收冷凝膜分离废气性质低温、低浓度高浓度、大流量高温、高浓度高浓度去除效率高高,可分离回收气体很高快且高成本高高高高二次污染有有有无2.1.1 吸 附吸附法是处理VO C s气体的一种传统方法,该法利用各种吸附剂对废气中的VO C s的吸附作用将VO C s进行截留分离6,对于低浓度、高流量的VO C s有更好的分离与回收效果。去除率的高低主要与吸附剂的种类有关,目前吸附效果比较好的是颗粒活性炭。与其他方法相比,吸附法节能、设备简单、可回收,因而广泛应用于工业VO C s的去除7-8,但是该法会产生大量的固体废物,后续处理也是一个难题。2.1.2 吸 收吸收法是利用混合气体中各组分自身的理化性质,在选定的吸收剂中的溶解度不同或者是其中的某一组分或多种组分与吸收剂中的分子发生化学反应,从而达到气体分离的目的9。吸收法的去除效率主要取决于吸收剂,因为大多数V O C s在水中的溶解度很小,因而对于物理吸收来说,通常选取煤油一类的油性物质作为吸收剂。在工业上,该法常用于高湿度V O C s气流的分离回收。2.1.3 冷凝浓缩一般来说,冷凝的过程是将蒸汽转化为液体。冷凝法处理VO C s的原理是:利用气态污染物处于不同温度时的饱和蒸气压不同,调节空间的压力或者温度,从而使气态污染物冷凝为液态污染物继而从废气中分离出来。该法受外界因素影响小、易操作、回收效果较为稳定1 0。冷凝浓缩适用于常温、高温、高浓度的VO C s处理,同时也是一种能实现资源再利用的一种方法,其去除程度主要和冷却温度和VO C s的饱和蒸气压有关1 1。相关研究表明,冷凝法通常应用于沸点在6 0以下的挥发性有机物,去除率一般可以维持在8 0%9 0%,但是其对运行设备的要求较高。2.1.4 膜分离膜分离法的原理是利用不同VO C s通过膜材料的传质速率不同而达到分离的目的1 2。膜分离技术主要应用于海水淡化、食品工业、生物化工及化学化工等领域的液相分离和苯系物的回收。可以回收的苯系物有脂肪和芳香族碳氢化合物、含氯溶剂、酮、腈、醛、醇、胺、酸等。该方法适用于高浓度挥发性有机物气体的分离与回收(一般要求体积分数在0.1%以上),具有高效、流程简单、无二次污染等特点1 1,1 3。但由于大多数VO C s都具有可燃性,存在安全隐患,因此膜分离技术对设备要求比较高,分离膜的价格高昂,因而运行成本极高。2.2 化学方法常见的化学处理方法包括焚烧法、催化氧化法、光分解法以及低温等离子体法,通常根据处理废气的性质以及工业成本来考虑选用的处理方法,见表3。一般根据废气的组成和浓度不同选取不同的化学处理方法。表3 V O C s的化学处理技术比较指标焚烧催化氧化光分解低温等离子体废气性质成分复杂、高浓度中低温低浓度低、中、高浓度去除效率高高紫外最高中等成本低取决于催化剂低,节能中等,电能消耗大二次污染有少无很少77第4 0卷 第4期黄 雨,等.挥发性有机化合物的去除方法研究进展 2.2.1 焚 烧焚烧法是利用挥发性有机物气体的易燃性质进行处理的一种方法。VO C s气体进入焚烧室后,在相应的温度、过量空气中充分混合,进行完全焚烧,最终分解成C O2和H2O1 4。但如果废气中含有C l、N、S等元素,采用焚烧法会产生HC l、S Ox、NOx等有害气体,造成二次污染1 5。焚烧的温度、停留时间、废气湍流混合程度决定焚烧的效果1 6。焚烧法适用于成分复杂、高浓度的苯系物气体,在处理石化工艺废气、印刷和油漆生产的废气及制药废气等方面具有广阔的应用前景,具有效率高、处理彻底等优点。2.2.2 催化氧化催化氧化法分为两种:通过催化剂焚烧氧化和光催化氧化。第一种方法也属于传统的VO C s处理技术,其作用原理与焚烧法类似,只是在焚烧反应器内安装了蜂窝状或片状催化剂1 6。有了催化剂的参与,反应系统可以在较低的温度下运行,从而降低了辅助燃料消耗和运行的费用。该法常用于处理低浓度的苯系物气体,对气体流量的适用范围较大,处理率可以达到9 0%。但是,催化氧化过程中常因催化材料受硫、氯和硅等物质的毒害而失活,所以近年来催化氧化研究的重点在于研制新型催化剂,以及研究可以不被其他物质造成的失活和因重金属造成的中毒的催化剂1 7-1 8。光催化氧化技术原理是利用催化剂的光催化氧化性,光催化剂与VO C s充分接触,使吸附在其表面的VO C s发生氧化还原反应,最终转变为C O2和H2O及 无 机 小 分 子1 9。光 催 化 剂(如T i O2)在吸收特定波长的光后被活化,催化剂中的电子吸收光子能量后由价带跃迁至导带,产生电子和空穴2 0。产生的光电子与H2O或O2发生一系列反应,生成高活性高氧化性的自由基OH,OH几乎可以氧化所有的有机物。2.2.3 光分解光降解技术的作用原理是通过空气在光照下产生的羟基自由基,从而实现对挥发性有机物的降解。比较常见的是紫外(UV)光降解技术,该技术能够快速降解多种有机物。在某些情况下,可以将难降解的挥发性有机物转化为水溶性好、可生 物 降 解 的 物 质2 1-2 3。但 是 紫 外 光 在 降 解VO C s时会产生有毒的副产物,限制了该技术在工业上的应用。2.2.4 低温等离子体分解低温等离子体净化作用的机理为:一是在产生等离子体的过程中,污染物分子因为受到高频放电产生的能量而分解形成无害分子或者原子;二是污染物分子和其中的高能电子发生一系列繁杂的 物 理 化 学 反 应2 4。低 温 等 离 子 体 处 理VO C s可能产生氮氧化物与碳氧化物,可以控制反应气体组分来调控产物。较低的电压与较高的湿度有利于C O2的生成,且当湿度足够大时C O2的产率可达9 0%2 5。低温等离子技术的优点在于使用范围广、工艺简单且二次污染少,即使在低浓度废气污染条件下也能够应用,该技术目前属于较新的研发领域,尚未实现大范围的工业化应用2 6-2 7。2.3 生物方法生物净化VO C s是通过“吸收-生物膜”和“吸附-生物膜”两个过程的整合运用,废气中污染物通过溶解吸收或者接触吸附转移至生物膜的表面,被微生物降解2 8。生物法通常包括生物过滤法、生物滴滤法、生物洗涤法,其各自优缺点见表4。表4 V O C s的生物处理技术比较指标生物过滤法生物滴滤法生物洗涤法废气性质浓度低、气流大浓度低、气流大、酸性浓度高、气流小、易溶解去除效率较高很高高成本低低低二次污染无无有液相污染2.3.1 生物过滤法生物过滤池主要由一个装有填料的生物反应装置和空气加湿器组成。空气加湿装置内的水由循环泵循环使用,VO C s等废气经过加湿后进入生物过滤池,通过多孔性的滤床吸附并降解2 9。生物过滤器的滤床是由多孔性填料及它们本身含有的或后期培养的具有降解能力的微生物组成。在通常情况下,VO C s等废气流过滤床,通过生物膜表面的液膜由气相进入微生物体内,发生物氧化反应,从而达到降解VO C s的目的3 0。但是生87 精 细 石 油 化 工2 0 2 3年7月物过滤池对高浓度、难生物降解、疏水性有机废气去除效率较差。2.3.2 生物滴滤法生物滴滤池主要由循环池以及生物反应设备组成,循环池内存放着营养物质,通过循环泵循环使用,保证微生物(外源接种)生长所需,可以定期更换以及随时调节p H值,营养液为微生物生长提供必需的营养成分从而提高生物反应器内的微生物活性,使整个生物反应设备能承受较高负荷的冲击3 1。反应器内的填料一般为无机填料,例如树脂、陶瓷、陶粒、硅藻土、聚氨酯泡沫等。生物滴滤池由于可以通过控制运行条件从而保持装置内部适宜的微生物量,保持较高的生物活性和维持降解菌群的优势3 2。因此,生物滴滤池相比于其他装置去除效率更高,也因此可以承受更强的负荷冲击3 3。同时,生物滴滤池占地面积较小,故而其在工业应用上具有一定优势。生物滴滤法主要用于处理有机废气,因此在工业处理VO C s的过程中具有广阔的应用空间。2.3.3 生物洗涤法生物洗涤池是由一个吸附反应的装置和一个用来活性污泥再生的装置组成。生物洗涤池包含固液气三相,是一个三相流的反应器,它与生物滤池、生物滴滤塔有明显的区别3 4。废气在吸收塔内通过喷淋、填料填充或曝气等方式进行混合,溶解于水的有机物被微生物吸附,排进活性污泥反应器后进一步被降解,吸收剂得到净化再生和重复使用3 5。这种方法适用于处理生物降解速度较慢的挥发性有机物。3 结束语传统的处理VO C s的方法大多存在二次污染或成本高的弊端,而生物法具有净化效率高,能耗低、易操作、无二次污染的特点,因此生物法降解VO C s已成为发展潮流和研究热点。然而生物法对于高浓度有机废气的处理存在困难。如果能够将物理、化学法和生物降解法相结合,即先用物理或化学方法处理VO C s,再经过末端的生物法处理,将极大地提高VO C s的处理效率,也避免了二次污染的发生。参 考 文 献1 K i m H H,K o b a r aH,O g a t aA,e t a l.C o m p a r a t i v e a s s e s s-m e n to fd i f f e r e n tn o n t h e r m a l p l a s m ar e a c t o r so ne n e r g ye f-f i c i e n c ya n da e r o s o lf o r m a t i o nf r o mt h ed e c o m p o s i t i o no fg a s-p h a s eb e n z e n eJ.I E E ET r a n s a c t i o n s o n I n d u s t r yA p-p l i c a t i o n s,2 0 0 5,4 1:2 0 6-2 1 4.2 L iY,F a nZ,S h i J,e ta l.P o s tp l a s m a-c a t a l y s i s f o rV O C sd e g r a d a t i o no v e r d i f f e r e n tp h a s es t r u c t u r eJ.C h e m i c a lE n g i n e e r i n gJ o u r n a l,2 0 1 4,2 4 1:2 5 1-2 5 8.3 L e eJE,Y o n gSO,T s a n gD,e t a l.R e c e n t a d v a n c e s i nv o l-a t i l eo r g a n i c c o m p o u n d s a b a t e m e n tb yc a t a l y s i sa n dc a t a l y t-i ch y b r i dp r o c e s s e s:ac r i t i c a lr e v i e wJ.S c i e n c eo fT h eT o t a lE n v i r o n m e n t,2 0 2 0,7 1 9:1 3 7 4 0 5.4 梁晶,王世朋,柯冬冬.VO C s危害及其处理技术J.科技创新与应用,2 0 1 8(2 7):1 4 8-1 4 9,1 5 2.5 何冬梅.环境空气中苯系物检测方法探究J.清洗世界,2 0 2 3,3 9(2):1 5 1-1 5 3.6 樊祥德.基于V O C s有机废气处理技术研究进展J.清洗世界,2 0 2 2,3 8(8):7 3-7 5.7 Y a n gC,M i a oG,P iY,e t a l.A b a t e m e n to fv a r i o u s t y p e so fVO C sb ya d s o r p t i o n/c a t a l y t i co x i d a t i o n:Ar e v i e wJ.C h e m i c a lE n g i n e e r i n gJ o u r n a l,2 0 1 9,3 7 0:1 1 2 8-1 1 5 3.8 李守信,陈青松,罗鑫,等.吸附法处理V O C s脱附温度的选择J.中国环保产业,2 0 1 8(3):4 8-5 0.9 殷冬媛.V O C s控制与处理技术综述J.化工管理,2 0 1 8(2 0):1 5 4-1 5 5.1 0 季宏飞,陈殿君,秦佩.关于V O C s处理技术选择的研究J.山东化工,2 0 1 8,4 7(1 0):1 8 4-1 8 6.1 1 黄心,刘荣,李红梅,等.V O C s处理技术研究进展J.广州化工,2 0 2 1,4 9(1 3):3 0-3 4,4 9.1 2 L i uC.T e c h n o l o g i c a ls e l e c t i o na n dp r o c e s so p t i m i z a t i o nf o rV O C s t r e a t m e n to f i n t e r m e d i a t es t o r a g et a n k s i np e t-r o c h e m i c a le n t e r p r i s e sJ.E n v i r o n m e n t a lP r o t e c t i o no fC h e m i c a l I n d u s t r y,2 0 1 9,3 9(3):2 7 3-2 7 7.1 3 Y a nX u e r u,A n g u i l l eS,B e n d a h a n M,e ta l.I o n i cl i q u i d sc o m b i n e dw i t hm e m b r a n es e p a r a t i o np r o c e s s e s:ar e v i e wJ.S e p a r a t i o na n dP u r i f i c a t i o nT e c h n o l o g y,2 0 1 9,2 2 2:2 3 0-2 5 3.1 4 王彦丽.V O C s有机废气处理技术的应用现状研究J.黑龙江科学,2 0 2 0,1 1(8):1 5 4-1 5 5.1 5 L iT,L iH,L iC.Ar e v i e wa n dp e r s p e c t i v eo f r e c e n t r e-s e a r c h i nb i o l o g i c a l t r e a t m e n t a p p l i e d i nr e m o v a l o f c h l o r i-n a t e dv o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d sf r o m w a s t ea i rJ.C h e m o s p h e r e,2 0 2 0,2 5 0:1 2 6 3 3 8.1 6 张凤.浅谈V O C s燃烧法处理技术及发展J.资源节约与环保,2 0 2 2(3):9 9-1 0 2.1 7 吴昊.低浓度V O C s废气的生物滴滤法处理研究D.延边:延边大学,2 0 1 8.1 8 S u l t a n aS.A b a t e m e n to f c h l o r i n a t e dv o l a t i l eo r g a n i c c o m-p o u n d s f r o m w a s t eg a ss t r e a m sb yp o s tp l a s m ac a t a l y s i sD.G h e n t:G h e n tU n i v e r s i t y,2 0 1 8.1 9 A l m a i eS,V a t a n p o u rV,R a s o u l i f a r dM H,e t a l.V o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s(V O C s)r e m o v a lb yp h o t o c a t a l y s t s:A97第4 0卷 第4期黄 雨,等.挥发性有机化合物的去除方法研究进展 r e v i e wJ.C h e m o s p h e r e,2 0 2 2:1 3 5 6 5 5.2 0 G u oL.C V O C se l i m i n a t i o nb yc a t a l y t i cc o m b u s t i o nJ.M a t e r i a l sR e p o r t s,2 0 1 9,3 3(1 8):3 0 0 3-3 0 0 4.2 1 F e r n a n d e sA,M a k o sP,W a n gZ,e ta l.S y n e r g i s t i ce f f e c to fT i O2p h o t o c a t a l y t i c a d v a n c e do x i d a t i o np r o c e s s e s i nt h et r e a t m e n to f r e f i n e r ye f f l u e n t sJ.C h e m i c a lE n g i n e e r i n gJ o u r n a l,2 0 2 0,3 9 1:1 2 3 4 8 8.2 2 董凯.V O C s光降解催化剂及设备研究D.天津:天津工业大学,2 0 1 8.2 3 王锦华,杨军,徐海波,等.紫外光解处理石化污水臭气中VO C s的应用研究J.工程科技,2 0 1 9,3 7(7):1 4 8-1 5 2.2 4 王群.V O C s有机废气处理技术研究进展J.皮革制作与环保技,2 0 2 1,2(2 4):6-8.2 5 S c h m i dS,J e c k l i nMC,Z e n o b iR.D e g r a d a t i o no fv o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d si nan o n-t h e r m a lp l a s m aa i rp u r i f i e rJ.C h e m o s p h e r e,2 0 1 0,7 9:1 2 4-1 3 0.2 6 L iQ,Y iH,T a n gX,e t a l.R e s e a r c hp r o g r e s so f c o-c a t a-l y t i c t r e a t m e n to fV O C sb yl o wt e m p e r a t u r ep l a s m aJ.E n v i r o n m e n t a n dD e v e l o p m e n t,2 0 1 9,3 1(3):9 2-9 3.2 7 马天鹏.低温等离子体高效降解V O C s技术的探索研究D.上海:东华大学,2 0 1 9.2 8 陈建孟.废气生物净化过程强化技术M.北京:科学出版社,2 0 1 6.2 9 季益虎.V O C s废气处理过程中生物处理技术的研究与分析J.环境与发展,2 0 1 8,3 0(5):3 6-3 7.3 0 梁志程.V O C s废气危害及处理技术进展J.化工管理,2 0 2 0(3 0):1 2 0-1 2 1.3 1 Y o uJ u p i n g,C h e nJ i a n m e n g,S u nY i m i n g,e ta l.T r e a t-m e n t o fm i x e dw a s t e-g a s c o n t a i n i n gH2S,d i c h l o r o m e t h a n ea n d t e t r a h y d r o f u r a nb yam u l t i-l a y e r b i o t r i c k l i n g f i l t e rJ.J o u r n a l o fC l e a n e rP r o d u c t i o n,2 0 2 1,3 1 9:1 2 8 6 3 0.3 2 兰善红,温志良,杨达,等.化学氧化-生物法处理挥发性有机废气研究J.化工科技,2 0 1 8,2 6(3):3 8-4 1,6 0.3 3 张磊.高效苯系物降解菌强化生物滤池及其处理甲苯性能研究D.上海:华东理工大学,2 0 2 1.3 4 李大梅,赵李李.生物法处理挥发性有机废气的研究概况J.江西化工,2 0 1 8(3):3 7-3 9.3 5 安少锋,王晓磊,押玉荣,等.微等离子-生物耦合工艺处理挥发性有机物J.当代化工,2 0 1 9,4 8(3):5 4 3-5 4 5,5 4 9.R E S E A R C HP R O G R E S SO NT H ER EMO V A LO FV O L A T I L EO R G A N I CC OMP O U N D SH u a n gY u,T i a nY i n g y a n,L i uY u n,L i uX i a n g,Z h a n gC h a o z h e n g(K e yL a b o r a t o r yo fM i n i s t r yo fE d u c a t i o nI n d u s t r i a lF e r m e n t a t i o nM i c r o b i o l o g y,T i a n j i nK e yL a b o r a t o r yo fI n d u s t r i a lM i c r o b i o l o g y,C o l l e g e o fB i o t e c h n o l o g y,T i a n j i nU n i v e r s i t yo fS c i e n c e&T e c h n o l o g y,T i a n j i n3 0 0 4 5 7,C h i n a)A b s t r a c t:T h e t y p e s a n dh a z a r d so f v o l a t i l eo r g a n i c c o m p o u n d s(VO C s)w e r e i n t r o d u c e d,t h e a d v a n t a-g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe x i s t i n gr e m o v a lt e c h n o l o g i e sw e r ec o m p a r e d,t h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fVO C s r e m o v a l t e c h n o l o g i e sw e r ea n a l y z e d,a n dt h e f u t u r ed e v e l o p m e n t t r e n do fVO C sr e m o v a l t e c h-n o l o g i e sw a sp r o s p e c t e d.K e yw o r d s:v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s;d e g r a d a t i o n;r e m o v a lm e t h o d s08 精 细 石 油 化 工2 0 2 3年7月