有机废气治理技术的研究进展.doc

有机废气治理技术的研究进展第30卷第5期2011年lO月四川环境SICHUANENVIRONMENTVo1.30.No.50ctober201l?综述?有机废气治理技术的研究进展易灵(四川省环境监测中心站,成都610041)摘要:有机废气治理问题是当前废气处理的难.最问题之一.本文首先介绍了几类传统有机废气处理技术的发展现状,包括吸附法,吸收法,催化氧化法,生物处理法等.对这几类有机废气治理技术的应用机理,适用范围以及现存问题进行了综合地比较与分析.最后,对于近年来出现的几类新型有机废气处理技术,如膜分离法,光催化氧化法,综合处理法的发展前景进行了一定的展望并列举了几类新技术的工程应用实例.关键词:有机废气;治理技术;应用机理;研究进展中图分类号:X701文献标识码:A文章编号:1001-3644(2011)05-0103-05ResearchProgressofOrganicWasteGasTreatmentYILing(Sichuan尸rD,wEnvironmentalMonitorCenter,Chengdu610041,China)Abstract:Thetreatmentoforganicwastegasisoneofthedifficultiesofcurrentwastegastreatment.Thispaperfirstlyintroducesthedevelopmentstatusoftraditionaltreatmenttechnologiesfororganicwastegas,includingadsorption,absorption,catalyticoxidationandbiologictreatment.Thentheirapplicationmechanism,applicableareaandexistingproblemsoresyntheticallycomparedandanalyzed.Finally,severalnoveltechnologiesfororganicwastegastreatmentsuchasmembraneseparation,photocatalyticoxidationandsynthetictreatmentareprospected.Someproductive印plicatlonexamplesofthenovelteehnologiesaleintroduced.Keywords:Organicwastegas;treatmenttechnology;applicationmechanism;researchprogress随着我国经济的不断发展,涌现出了数量众多的化工企业,这些企业每年排放出大量的工业有机废气,对大气环境造成了严重影响.因此,对工业有机废气的治理成为了环境治理方面的重中之重.近年来,科研工作者对有机废气的治理技术开展了大量的研究工作,这些研究成果逐渐产业转化,使得市场上具备许多有机废气治理技术和治理设施,本文对目前市场上已有的有机废气治理技术进行了综合比较与总结,并对有机废气治理技术发展进行了展望.1国内外有机废气的主要几种治理技术概述目前,国内外治理有机废气比较普遍的方法有收稿日期:20117_2O作者简介:易灵(1981一),女,四川成都人,2006年毕业于四川师范大学环境科学专业,硕士,助理工程师,主要从事环境监测工作.吸附法,吸收法,氧化法,生物处理法等.1.1活性炭吸附法利用固体吸附的原理从气相或者液相去除有害成分的过程称为吸附操作.根据吸附机理,可以将吸附剂分为物理吸附材料和化学吸附材料.化学吸附材料通常通过疏水键化学吸附作用去除有机污染物质,如用于吸附去除邻苯二甲酸二甲酯类物质(PAEs)的酚醛树脂吸附剂,BA接枝改性聚丙烯纤维【2J,壳聚糖等.但是化学吸附材料通常应用于水相有机污染物质的去除,在有机废气方面的应用较少,可能是因为在气一固两相界面上有机废气污染物质与吸附剂之间的接触时间太短,不利于化学吸附反应的进行,吸附效果不理想.因此在吸附法治理有机废气的实际应用过程中,常用的吸附剂为活性炭,沸石等物理吸附材料,因为这些吸附剂呈孑L状结构,比表面积大,物理吸附作用强,适用范围宽.大量的研究结果表明与蜂窝1O4四川环境30卷状,颗粒状吸附材料相比,纤维状吸附材料具备传质速率陕的优点l6.因此,在选择废气污染物吸附材料时可以优先选择纤维状材料,以提高处理效果.1.2吸收法1.2.1液体吸收法吸收法主要是指液体吸收法,通过废气与吸收剂的接触,使其中的有害组分被吸收剂所吸收.经过解吸,将其组分除去或回收,使吸收剂再生,重复使用.废气处理设施中普遍使用的水喷淋装置就是基于此原理.吸收过程分为物理吸收与化学吸收.物理吸收主要依据相似相溶原理,水是一种最常用吸收剂,可以把溶于水的有机溶剂气体如丙酮,甲醇,醚和微溶于水的漆雾,灰尘,烟等去除,但水溶性尚差的三苯物质不能被水吸收.化学吸收是基于吸收试剂上活性基团可以与有机废气污染成分发生的化学反应进行的吸收过程.1.2.2吸收法国内外研究现状表i列举了吸收法处理有机废气污染物的国内外研究状况.由表1中可以总结出以下3个结论:(1)国内外研究者研究了不同溶剂吸收法对各种有机废气污染成分的处理效果,包括苯类(苯,甲苯,二甲苯,苯乙烯),酯类,酮类,有机烃;(2)吸收剂主要包括有机溶剂,表面活性剂和水,还包括新型环保型吸收剂环糊精;(3)有机废气的具体成分不同,吸收剂选择不同.表1吸收法处理有机废气污染物质的国内外报道情况Tab.1Absorptiontreatmentoforganicwastegaspollutantsreportedathomeandabroad1.3催化氧化燃烧法对于有毒,有害,不须回收的VOCs,氧化法是一种较彻底的处理方法.它的基本原理是VOCs与0发生氧化反应,生成CO:和HO,化学方程式如下:aCH0:+bO2-,cCO2+dO2氧化反应类似化学上的燃烧过程,但由于VOCs的浓度太低,所以反应中不会产生可见的火焰.氧化法一般通过以下两种方法使氧化反应能够顺利进行:一是加热,使含VOCs的废气达到氧化反应所需的温度,即热氧化法;二是使用催化氧化.催化氧化是指在一定压力和常温条件下,以金属材料为催化剂,如Pt,Pd,Ni等,废气中得有机污染物与空气,氧气,臭氧等氧化剂进行的氧化反应.由于催化剂的存在,催化燃烧的起燃温度约为250cc一300.高效催化剂是催化氧化法的关键核心.近年来,整体式催化剂成为研究的重点,因为与粒状催化剂相比,整体式催化剂在传热,传质,和压降性5期易灵:有机废气治理技术的研究进展105能方面有很大的优势.而活性组分是催化剂的根本性物质,如Pb,Pt,Cu等;助催化剂是提高主催化剂活性,选择性,改善催化剂耐热性和寿命等的一种物质组分,活性组分和助催化剂共同负载在载体上构成整体式催化剂,如整体蜂窝陶瓷催化剂,整体金属蜂窝催化剂等J.1.4生物处理法生物处理技术的实质是附着在滤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氮源,并将有机物分解为二氧化碳,水,无机盐和生物质等无害或少污染的物质.生物处理技术包括生物吸收法(即微生物及其营养物配料存在于液体中,气体中的有机物通过与悬浮液接触后转移到液体中而被微生物所降解)和生物过滤法(微生物附着生长于固体介质上,废气通过由介质构成的固定床层时被吸附,吸收,最终被微生物降解),生物处理技术具有设备简单,运行费用低,较少形成二次污染等优点.2几种主要有机废气处理技术比较与仕J口2.1适用范围比较活性炭吸附技术一般适合于污染物浓度低于2000me,/m以下的有机废气处理,在酸性环境下的吸附效果优于碱性环境,且气体温度最好为常温,若废气温度过高,可选配气体冷却装置来降低废气温度,使之达到活性炭最佳吸附状态.溶剂吸收法主要适用于高浓度有机废气或者大风量低浓度的有机废气处理.催化燃烧技术一般适合污染物浓度在20006000mr,/m之间的有机废气处理,若废气温度大于180(2,废气浓度可低于2000mg/m也可,但废气中如含有硫等有害于催化剂中毒的成分不适合该技术.生物处理技术适宜于处理净化气量较小,污染物浓度较大,易溶且生物代谢速率较低的废气处理,通常,废气中的TOC(总有机碳)应在1000me,/m.以下,废气流量小于50000mr,/m,废气温度小于40.2.2存在问题比较2.2.1活性炭的吸附性与再生处理活性炭吸附是将污染物质从气相固定到自身,并没有从根本上解决污染消除的问题,当多种气态污染物同时存在时,活性炭的吸附能力大幅低于只含有一种气态污染物时的吸附效率.而对于吸附饱和的活性炭,一般处置方式有两种,一是废弃,直接烧掉或填埋,这样会造成资源浪费.二是将其再生反复使用,但活性炭的再生仍然存在一些问题,主要包括:再生过程活性炭有效部分损失较大,再生后吸附能力有一定下降,再生尾气的二次污染等.2.2.2吸收液吸收效率低液相吸收法是将污染物质从气相到液相的物理转移或化学转变,气态污染物液相喷淋吸收针对高浓度有机废气或者大风量低浓度的有机废气的治理较好,而针对低风量低浓度有机废气治理效率仍有待进一步提高.2.2.3催化剂选择苛刻当使用催化氧化燃烧处理有机废气时,某些气体污染物燃烧氧化反应条件苛刻】,必须需要高温,高空,高水蒸气分压,因此选择的催化剂必须具各高活性,高热稳定性和高水热稳定性,以及一定的抗中毒能力;常用的催化剂是Pd,Pt,Rh,Au等贵金属催化剂,但这些贵金属价格昂贵,易烧结,增加了催化氧化处理成本.2.2.4生物处理法的选择性微生物对邻苯二甲酸酯类物质(PAEs),苯类物质等有机污染物降解速度很慢,主要由于聚合物和复合物的分子能抵抗生物降解,微生物所必需的酶不能靠近并破坏化合物分子内部敏感的反应键,限制了生物法在处理这些气态物质方面的应用.2.3设备投资及运转投资比较根据BohnHL等的报告,活性炭吸附技术,化学吸收技术,氧化燃烧技术,生物处理技术的设备投资及运转投资较大差别,详见表2.表2几种主要治理技术投资及运转费用比较Tab.2Comparisonofinvestmentandoperationcostsforseveralmajortreatmenttechnologies注:以每1O立方英尺的处理气量计(单位:美元);以单位时间(分)处理每立方英尺气量计(单位:美元);以单位时间(分)处理每立方英尺气量计,(单位:瓦).由表2可以看出,催化氧化燃烧技术处理有机废气相对其他3种处理技术,投资及后期运转费用106四川环境3O卷最高,相对之下,在资金局限的情况下,生物处理HC1排放量,且膜系统VCM的回收率达90%技术及活性炭吸附具有明显优势.99%.3新技术展望随着对有机废气处理技术的研究开放力度不断加大,除上述传统的处理工艺技术外,一些新的技术也逐步被开发应用,为有机废气的治理提供了更广阔的途径.3.1膜分离法膜分离法是使用半渗透性的膜将VOCs从废气中分离出来的方法.基本机理是基于气体中各组分透过膜的速度不同,透过膜的能力不同,因为每种组分透过膜的速度与该气体的性质,膜的特性与膜两边的气体分压有关.3.2光催化氧化法半导体材料,如TiO,ZnO,CdS,WO,Fe2O3,PbS,Ga203,ZnOSnO2,TiO2/Fe3O4等】,在光照下可以将吸收的光能直接转变为化学能,可以激发出电子一空穴对(一种高能粒子),这种电子一空穴和周围的水,氧气发生反应后,就产生了具有极强氧化能力的自由基活性物质,因此能够使许多通常情况下难以发生的反应在比较温和的条件下顺利进行.1976年Carey等副报道了在紫外光照射下,纳米TiO:可使废水中的多氯联苯光催化脱氯,开辟了光催化技术在环保领域的应用先河.3.3综合处理技术综合处理技术主要是指将多个传统处理工艺有机结合,比如吸收一解吸一变压吸附组合工艺,吸附催化氧化技术等,这类综合处理技术具有极强的针对性和互补性,处理效果远远优于单一方法.4新技术工程应用实例国外某动物脂肪加工厂L2曾用堆肥作滤料,在滤料厚度为lm,含有乙醇,丁二酮,丙醇等污染物的气体在滤层中平均停留时间为17s,过滤负荷为88m./m?h的情况下,将废气中的有机物浓度由45mg/m.降到3.5mg/m,处理效率大于92%.Goodyear公司针对旗下项目VCM尾气(氯乙烯)拉安装了膜分离+燃烧系统,从反应器出口废气中利用膜系统回收氯乙烯,回收量超过90.8kg/h,显着地降低了进入燃烧器的排放量,降低了燃烧后成都高新西区某液晶显示器件公司,对其在涂胶,显影工序产生的含非甲烷总烃的有机气体,采用沸石浓缩转轮吸附系统处理(即是吸附+氧化燃烧技术),90%的有机废气被沸石转轮低温吸附后直接外排,10%的有机废气经吸附后进人燃烧器燃烧(以天然气作燃料),经四川省环境监测中心站监测,该装置最终外排废气中非甲烷总烃浓度从120mg/m降低到6.5mg/m,处理效率大于94%.四川大学制革清洁技术国家重点实验室通过生物模板法制备了新型的纳米TiO光催化剂,并将其用于某皮具厂及某合成革厂排放的含甲醛的有机废气处理中,在紫外光照射下,利用纳米TiO2光催化降解能力,对小风量低浓度废气中甲醛降解去除率可达到7O%以上.5结论本文认为,合理选用有机废气处理技术对于治理工业环境污染问题至关重要.对于有机气体的净化处理,无论是广泛采用的传统处理方法,还是新开放的处理技术,由于其适用范围,去除性能,投资运行费用等方面因素,皆制约了处理技术的应用.企业在处理有机废气污染问题时,必须根据企业有机废气的实际情况(包括有机废气的成分,浓度,风量,温度等),并综合考虑购置成本,运营成本,处理效果,回收效果等因素进行处理工艺的选择,同时企业的相关技术人员应熟悉相关技术的适用范围,可以根据具体情况选择单个或综合技术治理有机废气污染问题.这不仅有利于提高有机废气的去除率,降低二次污染,同时还可以减少运营成本,为企业创造更高的经济效益.参考文献:1WangZ,ShiZ-q,RongF_sFanYg,YangY一Studyonthethermodynamicpropertiesofadsorptionofethylbenzoateanddi?ethylphthalatebyphenolicresinadsorbentsJ.高分子科学,2004,22(3):239-245.2袁峰,魏俊富,汤恩旗,赵孔银.BA接枝改性聚丙烯纤维对水中邻苯二甲酸二丁酯的吸附J.天津工业大学,2009,28(2):21_24.3SalimaCJ,LiuH,KennedyJF.Comparativestudyofthead-sorptionOilchitosanbeadsofphthalateestersandtheirdegradationproductsJ.CarbohydratePolymers,2010,81:640-644.5期易灵:有机废气治理技术的研究进展1074567891O1213141516孙晓峰,高乃云,徐斌,刘遂庆,赵建夫,宁冉.邻苯二甲酸二甲酯在颗粒活性炭中的穿透特性J.环境科学,2007,28(8):17381745.高旭,刘宇飞,郭劲松,李怀茂,王峰青,陆磊.活性炭和沸石滤柱对饮用水中邻苯二甲酸酯类吸附性能的比较J.水处理技术,2009,35(3):57-61.DengS,BaiR,ChenJP.BehaviorsandmechanismsofcopperadsorptiononhydrolyzedpolyaerylonitrilefibersJ.JoumalofColloidandInterfaceScience,2003,260(2):265-272.FourmentinS,LandyD,BlachP,PlatE,SurpateanuG.Cyelo-dext6ns:APotentialAdsorbentforVOCAbatementfJ.GlobalNESTJoumal,2006,8(3):324-329.衣新宇,赵修华,朱登磊.表面活性剂吸收法治理含苯废气的中试实验J.能源环境保护,2004,18(3):24-27.吴庆辉.溶剂吸收法在鞋业三苯废气治理中应用J.应用技术,1999,16(4):13-15.何滢滢,梁世泽,陈焕钦.乳化液吸收法处理含苯,甲苯,二甲苯废气的研究J.广东化工,1988,(4):l619.程丛兰,黄小林,郎爽,耿红.苯系物新型吸收剂的研究J.北京工业大学,2000,26(1):1071l1.苏建华,李世英,荆效民,程光铠.液体吸收一活性炭吸附净化苯乙烯废气J.环境科学,1992,14(3):3638.王勇,金一中,赵青宁.乳状液膜吸收有机废气的实验研究J.环境科学研究,2008,21(3):170174.邱挺,刁春燕.王良恩.FBDO新型吸收剂治理有机废气的工艺研究J.福州大学(自然科学版),2005,33(1):105一l1O.左文雅,张民锋.吸收法处理工业生产中的有机废气J.西安航空技术高等专科学校,2004,22(1):48-49.TongeumpouC,AeostaEJ,SeamehomJF,SabatiniDA,YanumetN,ChavadejS.EnhaneedTrioleinRemovalUsingMi一1718192O21222324252627eroemulsionsFormulatedwithMixedSurfaetentsJ.JoumalofSurfactantsandDetergents,2006,9(2):181189.黄仲涛,工业催化剂手册M.北京:化学工业出版社,2Oo4.麦荣坚,李永峰,余林,刘祖超,史利涛,潘霁飞,陈林渺.VOCs催化燃烧整