（环境工程专业论文）低温等离子体技术处理甲苯的实验研究.pdf

摘要 摘要 本课题主要针对低温等离子体技术处理挥发性有机物( v o c s ) 进行了研究。 根据等离子体的相关理论，有害废气降解可能的途径是：首先，高能电子经过与 目标分子发生非弹性碰撞，将能量全部或部分传递给分子，使其裂解，激化；其 次，上述被高能电子裂解、激化的碎片分子在活性基团的作用下被氧化成无害物 或低毒物。研究主要采用管线式反应器，利用电晕放电与介质阻挡放电相结合产 生低温等离子体来去除废气；实验还设计制作了一种新型的反应器形式一喷嘴对 板介质阻挡放电反应器，探讨了其放电特性；并利用管线式反应器进行了去除恶 臭气体的初步探索实验研究。研究的主要内容以及取得的成果和结论如下： l i s s a j o u s 图形法对正确测量放电参量非常有效，间隙等效电容c g 随着外加 电压的增加而不断减小；c g 值与气隙的厚度有关，粗电极反应器c g 值大于细电 极反应器；电压较低时，电介质等效电容c d 随电压变化不大，之后随着电压的 增大而迅速升高，当电压到达一定值后，c d 变化趋于平缓；比能密度s i e 随着 外加电压的升高而呈线性增长趋势。 对于管线式反应器，在工频交流电源条件下，甲苯的去除率随着电压的提高 逐渐上升；随着气体流量和甲苯进口浓度的增加，去除效率下降，但污染物的绝 对去除量却逐渐上升；电压较低时，细电极反应器对甲苯的去除效率要比粗电极 高，但随着电压的提高，粗电极效率比细电极要高；陶瓷反应器对甲苯的去除效 果要优于有机玻璃反应器；能量效率随着甲苯去除率的上升而有所降低，当效率 较大时，其值稳定在一定的水平上；臭氧浓度随比能密度的升高先升高后降低。 在反应器内填充电介质有利于甲苯的去除，实验从气体的放电特性、比能密 度、等效电容( c g 、c d ) 、甲苯去除率、能量效率、臭氧浓度方面考察填料对甲 苯降解过程的影响，结果表明，填有陶瓷拉西环填料的反应器对甲苯的去除效果 优于空管反应器。 喷嘴对板式反应器作为一种新型的反应器形式，目的是使废气经喷嘴喷出后 全部经过等离子体通道的有效区域而提高效率，节约能耗。本文对其放电特性进 行了研究，得出以下结论：随着电压的升高，等离子体通道的扩散角0 c 随即逐渐 增大；在相同电压条件下，极间距l 与0 【呈反比关系；高压极起晕后，喷嘴数 量越多电流越大，但不是单个喷嘴电流值的简单叠加，喷嘴并联的数量越多，每 只喷嘴平均放电电流对总电流的贡献量就越小；电压随着l 增加，放电电流逐渐 衰减；由于极间屏蔽的作用，介质层在高压极与接地极之间时放电效果较好，过 多靠近高压极或接地极效果较差。 北京tq i ：，：8 y - t 号而卜亨1 节论文 采用管线式反应器进行去除硫化氢的探索实验，结果表明，随着外加电压的 升高，放电功率和硫化氢的净化效率呈上升趋势，电压为3 0k v 时，硫化氢的净 化效率高达9 9 ；随着进口浓度的上升，硫化氢的净化效率下降；净化每1 9 硫 化氢气体所需的能耗为1 4k w h 。 关键词挥发性有机物；电晕放电；介质阻挡放电；管线式反应器；喷嘴对板 反应器 i i a b s tr a c t a bs t r a c t i 1 1 i sp a p e ri n v e s t i g a t e dt h er e m o v a l so fv o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d sa n d m e p h i t i c g a su s i n gn o n t h e r m a lp l a s m aa p p r o a c h b a s e do nc o n - e l a t i v et h e o r yo fp l a s m a c h e m i s t r y , c o n t a m i n a t i v eg a sm a yb er e m o v e db y f o l l o w i n gc h a n n e l s f i r s t ， h l 曲。e n e r g ye l e c t r o n st r a n s f e r r e da l l p a r te n e r g yt oc o n t a m i n a t i o n sm o l e c u l e sb y m e a n so f a t t a c k i n g t h e ma n db r o k ed o w nt h e i rc h e m i c a l b o n d s s e c o n d ， a b o v e m e n t i o n e dm o l e c u l e sw e r eo x i d a t e da n dt r a n s l a t e di n t oi n n o x i o u so rl o w e r p o i s o n o u ss u b g f a m c e 。i nt h es t u d y , n o n t h e r m a lp l a s m ac a nb ee n g e n d e r e db y d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e ( d b d ) i nc o m b i n a t i o nw i t hc o r o n ad i s c h a r g ei no p e n i n g s u r r o u n d i n g s ，n e c o a x i a l c y l i n d r i c a lt u b e 1 i n er e a c t o rw a se m p l o y e di nt h e e x p e r i m e n t i na d d i t i o n ，al a t e - m o d e lr e a c t o r ，c a l l e da sn o z z l e t o p l a t ed b dr e a c t o r w a sd e s i g n e da n di n t e r r e l a t e dp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u t f u r t h e r m o r e ， t h ea b a t e m e n to fm e p h i t i cg a sa l s ow a ss t u d i e du s i n gt h ec o a x i a lc y l i n d r i c a lr e a c t o r b a s e do nt h ea n a l y t i c a la n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , t h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sc a nb eo b t a i n e d l i s s a j o u sf i g u r ea p p r o a c hw a se f f e c t i v et om e a s u r et h ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c s a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee q u i v a l e n tc a p a c i t a n c eo ft h eg a p ( c g ) d e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n ga p p l i e dv o l t a g e c gv a l u er e l a t e dt ot h eg a sg a pl e n g t ha n d t h i sv a l u eo ft h et h i c k e r e l e c t r o d er e a c t o rw a sb i g g e rt h a nt h et h i n n e ro n e t h ev a l u e o fd i e l e c t r i cb a r r i e r ( c d ) i n c r e a s e ds l o w l yw h e nt h ea p p l i e dv o l t a g ew a sl o w e ra n d t h e na r i s e dr a p i d l yw i t hf u r t h e ri n c r e a s i n gt h ev o l t a g e f i n a l l y ，t h et r e n do fc dl e v e l e d o f fw h e nt h ev o l t a g ef u r t h e re n h a n c e dt oac e r t a i nv a l u e n es p e c i f i ci n p u te n e r g y ( s i n ) d e p e n d e da l m o s tl i n e a r l yo nt h ev o l t a g ew i t ht h ea p p l i e dv o l t a g ei n c r e a s e d w i t hr e s p e c tt ot h ec o a x i a lc y l i n d r i c a lr e a c t o r , t h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft o l u e n e i n c r e a s e dw h e nt h ea p p l i e dv o l t a g ei n c r e a s i n g t h er e m o v a le f f i c i e n c yw a si nd i r e c t p r o p o r t i o nt ot h eg a sf l u xa n dt h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o n ，w h e r e a si ni n v e r s ep r o p o r t i o n t or e m o v a la m o u n t m e l lt h ea p p l i e dv o l t a g ew a ss e ta tal o w e ro n e ，t h er e m o v a l e f f i c i e n c yo ft h i c k e r - e l e c t r o d er e a c t o rt e n d e dt ob es u p e r i o rt ot h et h i n n e ro n e t h e t r e n di n v e r s e dw h e nt h ea p p l i e dv o l t a g ei n c r e a s i n gf u r t h e r i nc o n t r a s tt op m 队 r e a c t o r , t h ea b a t e m e n to ft o l u e n ew a se n h a n c e db yc e r a m i co n e t h ee n e r g ye f i c i e n c y w a si ni n v e r s ep r o p o r t i o nt or e m o v a le f f i c i e n c y h o w e v e r ，i t s t a b i l i z e da to n ev a l u e w h e nt h ee n e r g ye f f i c i e n c yw a sh i 曲e r 1 1 1 eo z o n ec o n c e n t r a t i o n d u r i n gt h ed i s c h a r g e w a sa l s oc a l c u l a t e di nt h i ss t u d y t h ev a l u ei n c r e a s e dw h e nt h es i ei n c r e a s e da t1 0 w r a n g e ，b u tt h et r a n s i t i o na r co fc o n v e r s i o no c c u r r e da th i g ho n e ，w h i c hs h o w i n gt h a t t h e r ei sn od e r e c tr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo z o n ec o n c e n t r a t i o na n dt o l u e n er e m o v a l e f f i c i e n c y i l l 北京t 业大学t 学硕十学位论文 t h er e a c t o rf i l l e di nd i e l e c t r i cw a sp r o p i t i o u st ot h ec o n v e r s i o no ft o l u e n e t h e r e d u c t i o no ft o l u e n ea st h ef u n c t i o no fp a d d i n gw a sc a r r i e d o u t ，c o n s i d e r i n g c o r r e l a t i v ew o r k i n gp a r a m e t e r s ，s u c ha st h ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c ，s i e ，c g ，c d ，t h e r e m o v a le f f i c i e n c yo ft o l u e n ea n do z o n ec o n c e n t r a t i o n 。t h er e s u l t ss u g g e s t e dt h a tt h e r e m o v a le f f i c i e n c yo ft o l u e n e ，i nw h i c ht h er e a c t o rw a sf i l l e di nc e r a m i cr a s c h i gr i n g ， w a ss u p e r i o rt ot h a to fn o n p a d d i n g n o z z l e - t o - p l a t ed b dn a m e da sal a t e - - m o d e ld i s c h a r g es t y l ew a st a k e ni n t o a c c o u n ti nt h es t u d y , i nt h a ta l lt h ec o n t a m i n a t i v em u s tp a s st h ep l a s m az o n e i nt h e e x p e r i m e n t ，t h ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i cw a sc a r r i e do u ta n dt h er e s u l t sr a i la s f o l l o w i n g t h ed i f f u s ea n g l et e n d e dt oi n c r e a s ew i t ht h ea p p l i e dv o l t a g ee n h a n c e d t h ee l e c t r o d ed i s t a n c e sb e t w e e nt h en o z z l ea n dt h eg r o u n d i n gp l a t ew a si ni n v e r s e p r o p o r t i o nt ot h ed i f f u s ea n g l eu n d e rt h es a m ea p p l i e dv o l t a g ec o n d i t i o n s t h es m a l l e r d i s t a n c eb e t w e e nt h ee l e c t r o d ea n db a r r i e r ，t h el a r g e rd i f f u s ea n g l e s t h er e s u l t sa b o u t v o l t a g e c u r r e n tc h a r a c t e r i s t i ci n d i c a t e dt h a tt h em o r en u m b e ro fn o z z l e s ，t h el a r g e r e l e c t r i cc u r r e n t sw h e nt h ea p p l i e d v o l t a g er e a c h e dt h ed i s c h a r g e i n c e p t i o no n e n e v e r t h e l e s s 。t h ec u r r e n to ft h em u l t i n o z z l ew a sn o te q u a lt ot h es i m p l es u mo ft h e s i n g l en o z z l e u n d e rt h es a m ea p p l i e d v o l t a g ec o n d i t i o n s ，t h es m a l le l e c t r o d e d i s t a n c e s ，t h el a r g e re l e c t r i cc u r r e n t s a l s ot h es m a l le l e c t r o d e d i s t a n c e sc o r r e s p o n d e d t ot h el a r g e ri n c r e a s e r a n g eo fc u r r e n t s w i t ht h ea p p l i e dv o l t a g ei n c r e a s i n g f u r t h e r m o r e ，i tw a s e v i d e n tt h a tt h ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i cr e l a t e dn e a r l yt ot h e p o s i t i o no fd i e l e c t r i cl a y e r v g h e nt h ed i e l e c t r i cl a y e rw a ss e ta tt h em i d d l eb e t w e e n t w oe l e c t r o d e s ，t h eb e t t e rd i s c h a r g ee f f e c tc a nb ea t t a i n e dt h a nc l o s et ot h en o z z l eo r g r o u n d i n gp l a t e t h ec o a x i a lc y l i n d r i c a lr e a c t o rw a su t i l i z e df o rt h ea b a t e m e n to fs u l f u r e t e d h y d r o g e n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed i s c h a r g ep o w e ra n dr e m o v a l e f f i c i e n c yp r e s e n t e dai n c r e a s i n gt r e n da sa p p l i e dv o l t a g ei n c r e a s e d 9 9 o fr e m o v a l e f f i c i e n c yc o u l db ea c h i e v e dw h e nt h ev o l t a g ew a sc o n t r o l l e da t3 0k v t h er e m o v a l e f f i c i e n c yd e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gt h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o n e n e r g yc o n s u m e dt o r e m o v ep e rg r a mo fs u l f u r e t e dh y d r o g e nw a su pt o1 4k w h k e y w o r d s ：v o l a t i l eo r g a n n i cc o m p o u n d s ；c o r o n ad i s c h a r g e ；d i e l e c t r i cb a r r i e r d i s c h a r g e s ；t u b e - l i n er e a c t o r ；n o z z l e - t o p l a t er e a c t o r 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 日期：丛益翁 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 狸日期：巡幺弓 筇1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 生态、环境、可持续发展是当今世界使用频率最高的词汇，环境问题是当 今人类面临的重要问题，环境保护是世界各国共同关注的热点、难点和焦点。 环境污染问题己成为阻碍当代人类社会可持续发展的三大问题之一，在新的形 势下还出现了新的特点，表现为生态系统污染的日益多样化、污染危害时间的 日益持久性和污染空间的不断可转移性与全球化。人类能否解决环境污染的问 题，将深刻地影响着人类社会的持续发展。 为了正确处理发展与环境之间的关系，世界各国对控制污染和保护环境制 定了大量的法律和法规，采取了许多积极的保护和治理措施，并在根治污染、 环境治理、综合利用等方面开展了大量研究和实际工作，取得了颇有成效的进 展。我国在控制与防治环境污染方面虽然起步较晚，但2 0 世纪8 0 年代以来， 已制定了一系列治理环境污染的方针、政策和法规，在环境污染防治上投入的 力度越来越大，重视的程度也越来越高。 大气是人类赖以生存的基本环境要素，大多数生命过程( 人类、一切动植 物和大多数微生物) 都离不开大气【2 1 。大气层通过自身运动进行热量、动量和 水资源分布的调节过程，给人类创造了一个适宜的生存环境，而且能阻挡过量 的紫外线照射到地球表面，有效保护地球上的生物。但随着人类生产活动和社 会活动的增加，大气环境质量日益恶化，自工业革命以来，由于大量燃料的燃 烧、工业废气和汽车尾气的排放等原因，曾发生多起与大气污染有关的公害事 件，如光化学烟雾、硫酸烟雾、臭氧层的破坏、酸雨等。目前，对环境和人类 产生危害的大气污染物约有1 0 0 种，其中影响范围广的污染物有颗粒物、二氧 化硫、氮氧化物、碳氧化物、挥发性有机物等【3 ，其中挥发性有机污染物的污 染已对环境和人体健康构成了明显的威胁【4 】，此外，恶臭气体( 如硫化氢) 的 污染问题也越来越受到重视。 1 2 挥发性有机物的定义与危害 6 0 年代以来，随着石油化学工业的发展，排入到大气中的挥发性有机物 ( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ，简称v o c s ) 越来越多，也越来越得到重视。 根据世界卫生组织( w h o ) 的定义，挥发性有机物( v o c s ) 是指沸点在5 0 - - 一 2 0 0 室温下饱和蒸汽压超过1 3 3 3 2p a 的一系列易挥发性化合物，其主要成 分为烃类、氧烃类、含卤烃类、氮烃及硫烃类等【5 】。v o c s 的来源主要有【6 】： 北京t 业大学t 学硕 一学位论文 ( 1 ) 石油、煤炭、天然气等的开采、加工、储运过程中； ( 2 ) 煤、石油、石 油制品、天然气、木材燃烧时的不完全燃烧产物；( 3 ) 作为溶剂的有机物使 用时挥发到大气中，油漆、喷漆中的溶剂挥发：( 4 ) 有机农药、消毒剂、防 腐剂加工与使用；( 5 ) 各种合成材料、有机粘合剂及其他有机制品遇到高温 时氧化和裂解，产生部分低分子有机污染物； ( 6 ) 淀粉、脂肪、蛋白质、纤 维素、糖类等氧化与分解时产生部分有机物。随着经济社会的发展，人们生活 水平的提高，室内建筑及装修装潢使用的各种合成材料、家用卫生品等释放出 的v o c s 严重危害着人体健康。 v o c s 人类健康和生态环境的危害主要包括以下几个方面【7 】： ( 1 ) 大多数v o c s 会刺激人的感官，引起头晕、恶心等症状，短时间接 触高浓度有机废气甚至会危及生命，是致病致癌物质； ( 2 ) 在光线的照射下，许多v o c s 很容易与一些氧化剂发生光化学反应， 生成光化学烟雾。光化学烟雾刺激人们的眼睛和呼吸系统，危害人体健康，影 响农作物生长； ( 3 ) 一些卤素有机物进入大气的平流层后，在紫外线照射下，易引发消 耗臭氧的光化学反应，导致大气臭氧层破坏。 ( 4 ) 多数v o c s 具有易燃、易爆特性，对工业生产造成较大的安全隐患。 1 ，3 挥发性有机物的处理控制技术 v o c s 控制技术基本分为两大类【8 】：第一类是以改进工艺技术、更换设备和 防止泄漏为主的预防性措施；第二类是以末端治理为主的控制性措施见图1 1 。 图1 - 1v o c s 控制技术分类 f i g 1 - 1 v o c sc o n t r o lt e c h n o l o g i e s 2 篱1 章 绪论 1 3 。1 挥发性有机物传统控制技术 ( 1 ) 燃烧法 燃烧法是利用有机物废气可以燃烧氧化的特性，将其燃烧、转化为无害物 质的方法。该法的主要化学反应是燃烧氧化，少数是热分纠7 1 。目前在实际中 使用的燃烧净化方法有直接燃烧、热力燃烧和催化燃烧。 直接燃烧又称直接火焰燃烧，是一种有机物在气流中直接燃烧和辅助燃料 燃烧的方法。该方法适用于净化含可燃有害组分浓度较高的废气，或者用于净 化有害组分燃烧湿热值较高的废气。直接燃烧法的优点是设备简单，造价和运 行费用低。缺点是资源不能回收，且往往由于燃烧不完全造成大量污染物排向 大气而造成二次污染。 热力燃烧用于可燃有机物含量较低的废气的净化处理，工艺流程如图1 2 所示【8 】。这类废气中可燃有机组分的含量往往很低，本身不能维持燃烧。在进 行热力燃烧时一般是需燃烧其他燃料( 如煤气、天然气、油等) ，把废气温度 提高到热力燃烧所需的温度，使其中的气态污染物进行氧化，分解为c 0 2 、h 2 0 、 n 2 等。热力燃烧的优点在于工艺简单，净化效率高。该法的缺点主要有：燃烧 过程中需消耗燃料，氧化销毁过程又有大量热量产生，为了回收燃烧后气体的 余热，尚需配置庞大的换热设备。因此，如何利用这部分热量，尽量减少燃料 消耗，是热力燃烧是否具有生命力的关键。 筘e 放自囊 助燃空气 辅助燃料 图1 - 2 热力燃烧工艺 f i g 1 - 2 t h e r m a lc o m b u s t i o nt e c h n i q u e 排放 催化燃烧是利用催化剂使挥发性污染物在较低的温度( 2 5 0 - - 一4 5 0 ) 下 氧化分解的方法。该方法实际上为完全的催化氧化，即在催化剂作用下，使废 气中的有害可燃组分完全氧化为c 0 2 和h 2 0 。由于绝大部分有机物均具有可燃 烧性，因此催化燃烧法已成为净化含碳氢化合物废气的有效手段之一。催化燃 烧法的工艺流程见图1 - 3 t 引。与其他种类的燃烧法相比，催化燃烧法具有如下特 点：催化燃烧为无火焰燃烧，安全性好；要求的燃烧温度低( 大部分烃类和一 氧化碳在3 0 0 一- - 4 5 0 之间即可完成反应) ，故辅助燃料消耗少；对可燃组分 浓度和热值限制较小；为使催化剂延长使用寿命，不允许废气中含有尘粒。 北京t 业了：学丁学硕十学位论文 助燃空气 辅助燃料 图1 - 3 催化燃烧工艺 f i g 1 - 3c a t a l y z ec o m b u s t i o nt e c h n i q u e ( 2 ) 吸收法 吸收法是工业废气治理方法中的一种重要的、常用的方法。它是利用废气 中各混合组分在选定的吸收剂中溶解度不同，或者其中某种或多种组分与吸 收剂中活性组分发生化学反应，达到将有害物从废气中分离出来。吸收法控制 v o c s 污染的典型工艺如图1 4 所示 8 1 。 纯v o c s 气体 图1 - 4v o c s 吸收工艺 f i g 1 - 4 a b s o r p t i o nt e c h n i q u ef o rv o c s 气 液 分 离 器 含有v o c s 的气体由底部进入吸收塔，在上升的过程中与来自塔顶的吸收 剂逆流接触而被吸收，吸收后的干净气体由塔顶排出。吸收了v o c s 的吸收剂 通过热交换器后，进入解吸塔顶部，在温度高于吸收温度或压力低于吸收压力 时得以解吸，吸收剂再经过溶剂冷凝器冷凝后进入吸收塔循环使用。解吸出的 v o c s 气体经过冷凝器、气液分离器后以纯v o c s 气体的形式离开解吸塔，被 进一步回收利用。由于吸收法治理气态污染物技术成熟，设计及操作经验丰富， 适用性强，因而在大气污染物治理中得到广泛应用。在环境工程中，吸收法是 4 劳1 章 绪论 控制大气污染的重要手段之一，这种方法优点是工艺流程简单，吸收剂价格便 宜，适用于浓度较高、温度较低和压力较高v o c s 的处理；缺点是吸收剂难以 选取，吸收后的吸收溶液需进一步处理，有可能造成二次污染，并且费用较高， 对低浓度的有机物处理时费用可能会更高。 ( 3 ) 吸附法 吸附法是通过气态混合物与多孔固体( 吸附剂) 相接触，利用固体表面存 在的未平衡的分子吸引力或化学键力，将混合物中的一种或多种组分积聚或凝 缩在表面而达到分离净化的方法。在大气污染控制领域，因为吸附剂的选择性 强、能有效分离其他过程难以分开的混合物、能有效地去除低浓度有毒有害物 质而得以广泛应用。v o c s 污染控制的吸附工艺流程见图1 5 【8 】。 含v o c s 的混合气体先去除颗粒状污染物后，再经过调压器调整压力，然 后进入吸附床进行吸附净化，净化后的气体排入大气环境。当吸附床i 内的活 性炭饱和后，通过阀门转换至吸附床i i 进行吸附，向吸附床i 通入蒸气进行脱 附，解吸出来的蒸气( 空气) 混合物冷凝后由浓缩器、分离器进行分离，脱附 后的活性炭用热空气干燥后循环使用。吸附法的优点是净化效率高，能耗低， 对低浓度、大风量或间歇作业产生的有机废气有较好的去除效果；缺点是再生 的液体必须进行再处理，这样可能造成二次污染，而且增加了处理成本，另外 当气体中有气溶胶物质或其他杂质时，吸附剂易失效。 关闭 图1 - 5 活性炭吸附v o c s 工艺 f i g 1 - 5a d s o r p t i o nt e c h n i q u ef o rv o c s 在处理有机废气的方法中，吸附法应用极为广泛，与其它方法相比具有去 除效率高，净化彻底，能耗低，工艺成熟，易于推广实用的优点，具有很好的 环境和经济效益。缺点是处理设备庞大，流程复杂，当废气中有胶粒物质或其 他杂质时，吸附剂易失效。吸附法主要用于低浓度高通量有机废气净化，成功 北京。1q i ：大学_ r 学帧十掌位论文 运用吸附法处理的有机废气有丙酮废气、沥青烟气、喷漆有机废气( 甲苯、二 甲苯、苯等) 、醋酸乙酯、涂料生产废气( 二甲苯) 、苯乙烯、有机溶剂 9 】。 ( 4 ) 冷凝法 冷凝法利用物质在不同温度下具有不同饱和蒸气压这一性质，采用降低温 度、提高系统的压力或者两者兼行的方法，使处于蒸汽状态的污染物冷凝并与 废气分离。该方法在理论上可达到很高的净化程度，特别适用于处理废气体积 分数在1 0 之以上的有机蒸汽，但是当体积分数低于1 0 。6 时，需采取进一步的冷 冻措施，使运行成本大大提高 8 】。典型的带制冷的冷凝系统工艺流程见图1 - 6 所示8 1 。该法适合处理高浓度的v o c s ( 约4 5 x l o 4m o l l 以上) ，能回收有机 溶剂，工艺流程简单，但缺点是需要制冷设备，能耗较高；废气中不能含大量 粉尘及胶粘物质；由于受冷凝温度的限制，尾气可能因此达不到排放要求，需 要进一步处理。 净化气体 ， 图1 - 6 冷凝系统流程图 f i g 1 - 6 t h ef l o wc h a r to fc o n d e n s a t i o ns y s t e m 1 3 2 近年来发展的新技术 由于传统工艺存在着一些缺陷，随着科学技术的发展以及人们对环境保护 越来越重视，近年来一些新的治理方法相继出现，如膜分离法、生物法、光催 化法：等离子体法等。 ( 1 ) 膜分离法 膜分离法是利用固体膜或液体膜作为一种渗透介质，废气中各组分由于分 子量大小不同或荷电、化学性质不同，在压力推动下透过膜的传质速率不同， 而得以分离开来，从而达到回收有价值烃类的目的。膜分离法流程简单，分离 效果好，分离过程中不发生相变，能耗低，且无二次污染，具有广泛的应用前 景【1 0 3 2 1 。常见于石油化工、制药、印刷、制鞋、喷漆等行业的排放挥发性有机 物( v o c s ) 的废气，可采用膜分离与冷凝法联合使用，达到高效率回收的目 的，其流程示意如图1 7 所示。 含v o c s 的有机废气进入压缩机后，进入冷凝器冷凝下大部分的有机物， 可予回收。未凝部分通过膜分离器，渗透出来的含有机蒸气的气流返回压缩机， 6 第】章绪论 重新参与压缩、冷凝、膜分离，未渗透物( 净化后气体) 从系统排出。膜分离 法的优点是分离因子大，净化效果好；由于分离过程中不发生相变，不必耗费 相变能，节省能量；膜分离法操作简单，控制方便，操作弹性大。 图1 7 膜分离法处理v o c s i 艺 f i g 1 7 m e m b r a n es e p a r a t i o nt e c h n o l o g yf o rv o c s 目前，膜分离法在国外已成功地应用于数十套装置中，用来回收废气中有 价值的有机物，如聚氯乙烯生产中氯乙烯生产中氯乙烯单体的回收，喷漆过程 中二氯三氟乙烷( h c f c 1 2 3 ) 的回收，医院消毒中二氟二氯甲烷( c f c 1 2 ) 的 回收等【7 1 。该方法的缺点在于关键部件膜的价格较高、处理速度慢、维护困难， 所以目前尚处于实验阶段，无法开展大规模的商业应用。 ( 2 ) 生物膜法 生物膜法控制v o c s 污染是近年发展起来的空气污染控制技术。v o c s 生 物净化过程的实质是附着在虑料介质中的微生物在适宜的环境条件下，利用废 气中的有机成分作为碳源和能源，维持其生命活动，并将有机物分解为c 0 2 、 h 2 0 的过程。气相主体中v o c s 首先经历由气相到固液相的传质过程，然后才 在固液相中被微生物分解。常见的生物法处理v o c s 的方法有：生物洗涤法、 生物过滤法和生物滴滤法，其工艺流程如图1 8 所利8 1 。 生物洗涤塔主要由活性污泥池和洗涤塔组成。洗涤塔由吸收和生物降解两 部分组成。经有机物驯化的循环液由洗涤塔顶部布液装置喷淋而下，与沿塔而 上的气相主体逆流接触，使气相中的有机物和氧气转入液相，进入活性污泥池， 被微生物氧化分解，得以降解。 生物过滤塔净化v o c s 的工作原理：v o c s 气体由塔顶进入过滤塔，在流 动过程中与已接种挂膜的生物滤料接触而被净化，净化后的气体由塔底排出。 生物滴滤塔与生物过滤塔之间的最大区别是循环液从填料上方喷淋，设备 中除产生传质过程外还存在着很强的生物降解作用。v o c s 气体由塔底进入， 在流动过程中与已接种挂膜的生物滤料接触而被净化，净化后的气体由塔顶排 出。滴滤塔集废气的吸收与液相再生于一体，塔内增设了附着微生物的填料， 为微生物的生长、有机物的降解提供了条件。 7 北京t 业大学工学硕j j 学伊论文 ( a ) 净化气体 图1 - 8 生物法处理v o c s i 艺 f i g 1 - 8b i o l o g i c a lt r e a t m e n tt e c h n o l o g yo ff o rv o c s ( a ) 生物洗涤法；( b ) 生物滴滤法；( c ) 生物过滤法 c h u n g s y i n gl 等 1 0 】利用生物过滤法对含有正戊烷和乙苯的废气进行处理， 试验结果表明，微生物在滤料( 煤颗粒) 上挂膜成功后，在运行时间2 8 天为 _ _ 周期的时间内，乙苯的去除率为7 0 1 0 0 ，正戊烷的去除率则为5 0 , - - 一9 0 。 c l u 等【1 1 】采用生物滴滤器处理丙烯腈和苯乙烯，当碳负荷在2 2 - 2 8g ( m 3 h ) 之间时，去除率可超过8 0 。当碳负荷下降到1 0 - - 1 2 ( m 3 h ) 时，去除率接近 8 第1 荤绪论 1 0 0 。生物法的优点是工艺简单、较少产生二次污染、对低浓度的有机废气 有较好的去除效果。缺点是对温度和湿度变化敏感，体积大，不适用于高卤素 化合物的处理。 ( 3 ) 光催化法 2 0 世纪9 0 年代以后，光催化氧化法成为去除低浓度v o c s 的最热门研究 课题之一。光催化净化是基于光催化剂在紫外线照射下具有的氧化还原能力而 净化污染物。利用催化剂的光催化氧化性，使吸附在其表面的v o c s 发生氧化 还原反应，最终转变为c 0 2 、h 2 0 及无机小分子物质。具有光催化作用的半导 体催化剂，在吸收了大于其带隙能( e g ) 的光子时，电子从充满的价带跃迁到空 的导带，而在价带上留下带正电的空穴( 。光致空穴具有很强的氧化性，能 将其表面吸附的o h 。和h 2 0 分子氧化成o h ，o h 几乎可以氧化所有的有机物。 常用的金属氧化物光催化剂有：f e 2 0 3 、w 0 3 、c r 2 0 3 、z n o 、z r o 、t i 0 2 等。 由于t i 0 2 来源广、化学稳定性和催化活性高，没有毒性，成为试验研究中最常 用的光催化剂。 张彭义等【1 3 】将经过碳黑改性的t i 0 2 负载在铝片或不锈钢网上，用低压汞 灯作光源，在甲苯为1 0 - - 一1 4m g m 3 时得到了8 0 8 8 的去除率。刘凡新等【1 4 】 将t i 0 2 溶胶制成薄膜负载在玻璃上，用主波长2 5 4 姗的紫外光源照射4 0m i n 后，甲醛的分解率达到了7 8 3 。有人在t i 0 2 中掺入c e 后，较纯t i 0 2 薄膜 的反应速率显著提高，甲醛溶液和甲苯气体分别为1 5m i n 和8m i n 达到了9 0 以上的分解率 15 1 。光催化法能将挥发性有机物较为彻底无机化，副产物少， 但是光催化氧化法存在着催化剂的失活、催化剂难以固定，且催化剂固定化后 催化效率降低的缺点，因此该技术目前尚未商业化。 1 4 恶臭气体的控制技术 1 4 1 恶臭气体的来源与危害 恶臭指一切刺激嗅觉器官引起人们不愉快及损害生活环境的气体物质【l6 1 。 恶臭物质种类繁多，不同类型物质分子结构中有不同的发臭基团，因而有不同 气味和阈值。产生恶臭的物质有上万种，按化学成分可分为五类：含硫化合物、 含氮化合物、卤素及其衍生物、部分含氧有机物和烃类。 恶臭物质的来源主要有工业生产、生命活动和人类生活两方面 1 7 1 ： ( 1 ) 工业生产。恶臭物质的主要来源是各类工厂，特别是造纸厂、制药厂、焦化厂、 化工厂、食品加工厂、涂料厂、污水处理厂、染料厂、烟厂、屠宰厂等的排气； ( 2 ) 生命活动和人类生活。人体自身产生的气味如吸烟产生的烟臭、出汗等 产生的体臭，家禽家畜宠物等生物体产生的臭气，人类日常生活产生的臭气如 室内下水道和便厕产生的臭气、物品发霉产生的霉臭、生活用煤气产生的气味、 生活垃圾产生的气味等。 9 北京t 业大学1 掌硕1 + 学位论文 恶臭物质中对人体健康危害较大的有硫醇类、氨、硫化氢、二甲基硫、三 甲胺、甲醛、苯乙烯、铬酸和酚类等【1 8 。恶臭污染对人体的危害主要表现在危 害人的神经系统、呼吸系统、循环系统、消化系统，同时使内分泌系统的的分 泌功能紊乱，影响机体的代谢活动；氨和醛类对眼睛有刺激作用，引起流泪、