挥发性有机化合物末端治理技术研究

王晓静

（宁夏汇晟环保科技有限公司，宁夏 银川 750002）

挥发性有机化合物（VOCs）末端治理技术可分为单端处理和复合端处理两种。本文论述了我国VOCs单端处理工艺的原理、应用现状及发展前景，介绍了工业化复合尾气处理工艺在VOCs减排中的应用，分析和探讨了VOC终端治理技术存在的问题，旨在为未来终端治理技术的研究和发展提供参考。

1 挥发性有机化合物污染的相关概述

1.1 挥发性有机化合物的概念及危害

目前，学术界对“挥发性有机物”这一物质概念还没有形成统一的明确界定。根据世贸组织规定，挥发性有机物指在常温下，沸点在50～260 ℃的有机物[1]。但在我国规定：挥发性有机化合物为可挥发性有机化合物，其蒸压大于70 Pa，常压低于260 ℃或20 ℃的温度范围内蒸气压不小于10 Pa。

就目前而言，从化学的角度，挥发有机化合物可以划分为八大类，即：烯类、烷类、酯类、酮类、醛类、芳烃类、卤烃类和其他化合物。挥发性物质进入空气后，会对人的眼睛和呼吸道产生不同程度的刺激，从而引发过敏、咽痛、头晕、乏力等症状。不同的化合物成分通过呼吸道进入人体后，也会发生不同的污染效应。举例来说，如果一个人长期处于甲醛含量超标的空气环境中，就会出现不同程度的甲醛中毒现象。如果中毒较轻，可能出现鼻咽不适、恶心、头痛等症状；如果中毒过重，可能出现血压急降、休克性昏迷、呼吸困难等症状，严重时可危及生命。此外，甲醛还是WTO《致癌物质清单》中的一类。因此，做好VOCs污染治理工作，对保证环境稳定清洁、维护人类健康和安全具有重要意义。

1.2 挥发性有机化合物的来源

VOCs的来源具有明显的多样性和复杂性，分为室内污染和室外污染。VOCs主要产生于室外大气环境中的工业污染，如化工企业的烟尘、汽油废气以及这两种物质在紫外线照射下的光化学污染；在室内有限的空气环境中，VOCs主要产生于染色地毯、墙面涂料、装饰、家具和电器。此外，汽车涂料、室内装饰、工厂化工原料等都是室内有限环境中常见的VOCs来源[2]。

从实际来看，由于VOCs污染的种类和来源都比较复杂，我国还没有形成覆盖广泛、内容详尽的标准体系，因此VOCs污染治理工作任重而道远。

2 单一末端治理技术

目前，国内外普遍采用的单一末端处理技术是回收技术和销毁技术。回收技术利用选择性吸附、渗透膜改变温度和压力来回收VOCs，如吸附、凝结、膜分离等。销毁技术利用燃烧、光催化、生物降解和等离子体技术等特殊技术，通过热、光和微生物的作用，将 VOCs转化为CO2、H2O等无机小分子化合物实现废气治理。单一末端治理技术对比分析见表1。

表1 单一末端治理技术对比分析

从表1可知，吸附技术净化效率较低，并且需要额外的再生费用；冷凝和催化燃烧技术需要消耗大量能源，膜分离和等离子技术提供能源的成本高昂；生物和光催化技术反应缓慢。吸附和催化燃烧两项分别占总处理工艺的38%和22%。但是生物技术、光催化技术、低温等离子体技术等在实验室中研究比较少，应用也比较少。因此在确定VOCs处理工艺时，我们要针对企业的实际情况合理选择排放特征和经济指标。

3 组合末端治理技术

工业废水VOCs成分复杂，治理难度很大。单一处理技术在净化效率、安全性、经济性等方面存在着一定的局限性。因此，混合减排技术已经成为目前VOCs减排技术研究的热点之一。接下来我们将介绍几种组合端的处理方法。

3.1 吸附浓缩—催化燃烧技术

自80年代以来，我国就开始对吸附浓缩催化燃烧技术进行研究。国家防化院于1990年开发了催化燃烧固定床浓缩有机废气装置，并于1997年投入工业化生产。用蜂窝状活性炭作为吸附材料，非贵金属作为催化剂，利用FCJ有机废气处理装置对福州市某鞋厂的三苯有机废气进行处理，平均净化率达86.3%，其整个流程由喷射模块、干燥模块、吸附模块和燃烧模块组成，详见如图1。

图1 吸附浓缩催化燃烧技术工艺流程图

我国自主创新的VOCs处理技术集吸附、浓缩、催化燃烧为一体。处理技术先进，生产效率高，应用广泛，无二次污染，经济效益显著。在空气预处理和吸附回收中使用燃烧产生的热能可达到节能环保的目的，平均净化效率在95%以上，应用十分广泛。

3.2 冷凝—催化燃烧技术

冷凝—催化燃烧技术是指VOCs中含有水汽的有机废气经过冷凝处理后，剩余的不凝气催化燃烧技术，即VOCs废气首先进入冷凝器，冷凝废气中的可凝物与颗粒液滴结合后形成较大的液滴，沉淀物在冷凝器中比较容易清除。冷凝不掉的非冷凝气体通过风机送到热交换器，加入助燃剂催化燃烧反应，使之达到排放标准。工艺流程如图2所示。

冷凝—催化燃烧控制技术使系统温度下降，提高了VOCs处理的极限浓度，减轻了催化燃烧的负荷，提高了安全性和稳定性，但在处理过程中传热能耗增加，成本上升。冷凝液的综合利用也是一个亟待解决的问题，目前在工业上的应用范围很小，还没有实现规模化生产。

3.3 吸附—冷凝技术

吸收—冷凝法是利用冷凝法回收高浓度烟气的一种方法，吸附技术用于后端处理低浓度不凝气。冷凝法净化中、高浓度烟气，其净化效果稳定，但低浓度和多组分烟气净化率较低，冷凝法与吸附法结合使用可有效提高烟气处理的浓度范围。此外，凝结后可以降低尾气中杂质的含量，从而降低了杂质对活性炭结构的破坏，提高了活性炭的使用寿命。采用凝结法处理，避免了吸附过程中活性炭温度升高而引起自燃的隐患。主要设备有过滤器、引风机、冷却器、活性炭纤维吸附器等，生产工艺如图3。

吸收—冷凝技术多应用于国内油气回收。吸收—冷凝法处理其他多组分VOC气体仍然处于探索阶段，对于不同成分和浓度的气体，还需从吸附剂、冷凝剂的筛选和设备结构的改进等方面进行深入研究。

3.4 吸附—光催化技术

吸收—光催化技术是通过吸附材料将VOCs吸附，在紫外光照射下，VOCs被降解成CO2和H2O。该技术还可以吸收反应过程中的有害副产物，减少二次污染。本方法包括预处理、吸附和光催化三个步骤，其工艺流程见图4。

图4 吸附—光催化技术工艺流程图

吸附—光催化处理技术的装置占用空间小，反应条件温和，能耗低，安全可靠。但是由于空气流动引起的催化剂损失以及环境参数的变化，使净化效果变得不稳定。

3.5 低温等离子体—光催化技术

低温等离子体—光催化技术利用低温等离子体技术，通过电子能量的碰撞把大分子转化为小分子，再与光催化反应，注入等离子体反应器中，使之相互作用，协同净化。相关设备包括过滤装置、等离子反应器、除雾器等，如图5所示。

图5 低温等离子体-光催化技术装置示意图

利用低温等离子体-光催化技术处理低压VOCs有机废气具有能耗低、副产物少、反应速度快等优点。该方法仍处于实验研究阶段，要想实现工业化生产，还需要寻找等离子体反应器与催化剂的最佳匹配方案，对二者协同作用的反应机理进行深入地研究。总之，通过研究人员的不断改进与创新，该技术必将在市场上占有一席之地。

3.6 组合技术对比分析

我国VOCs末端处理技术的吸附、凝结等工艺多用于联合处理系统的初级处理，见表2。与国外先进技术相比，仍处于相对劣势阶段。

表2 组合技术应用情况对比分析

4 结论

在VOCs综合治理中，采用单一技术是当前我国VOCs治理研究的热点，也是今后治理的主流[3]。要想实现大规模的推广还应做到：（1）寻找新型催化剂，提高其性能，延长其使用寿命，并在催化燃烧和光催化中稳定运行；（2）结合工厂的实际情况，合理配置设备，减少占用空间；（3）深入研究合成过程的反应机理，使合成过程能够安全、稳定地投入生产应用；（4）寻找最佳工艺技术，同时保证达标排放，且投资少，安全性高。