VOC廢氣處理技術

VOC(Volatile Organic Compounds)，中文全稱揮發性有機化合物。在現代化工業中，通常將其作為一種溶劑，使用過程中便會揮發排放到大氣中。在石油化工、印刷、人造皮革、電子行業、涂料和醫藥等行業應用比較廣泛。普通意義上的VOC就是指揮發性有機物；但是環保意義上的定義是指活潑的一類揮發性有機物，即會產生危害的那一類揮發性有機物。目前VOC廢氣處理技術主要包括熱破壞法、變壓吸附分離與凈化技術、吸附法和氧化處理方法等。
一、熱破壞法
    熱破壞法是指直接和輔助燃燒有機氣體，也就是VOC，或利用合適的催化劑加快VOC的化學反應，zui終達到降低有機物濃度，使其不再具有危害性的一種處理方法。
熱破壞是目前應用比較廣泛也是研究較多的有機廢氣處理方法，特別是對低濃度有機廢氣處理效果比較好。有機化合物的熱破壞可分為直接火焰燃燒和催化燃燒。直接火焰燃燒是一種有機物在氣流中直接燃燒和輔助燃料燃燒的方法。多數情況下，有機物濃度較低，不足以在沒有輔助燃料時燃燒。直接火焰燃燒在適當溫度和保留時間條件下，可以達到99%的熱處理效率。
    催化燃燒是有機物在氣流中被加熱，在催化床層作用下，加快有機物化學反應(或破壞效率的方法)，催化劑的存在使有機物在熱破壞時比直接燃燒法需要更少的保留時間和更低的溫度，是高濃度、小流量有機廢氣凈化的技術。催化劑在催化燃燒系統中起著重要作用。用于有機廢氣凈化的催化劑主要是金屬和金屬鹽，金屬包括貴金屬和非貴金屬。目前使用的金屬催化劑主要是Pt、Pd，技術成熟，而且催化活性高，但價格比較昂貴而且在處理鹵素有機物，含N、S、P等元素時，有機物易發生氧化等作用使催化劑失活。非金屬催化劑有過渡族元素鈷、稀土等。近年來催化劑的研制無論是國內還是國外進行得較多，而且多集中于非貴金屬催化劑并取能得了很多成果。例如V₂O₅ + MOX(M：過渡族金屬) + 貴金屬制成的催化劑用于治理甲硫醇廢氣，Pt + Pd + Cu催人劑用于治理含氮有機醇廢氣。
    由于有機廢氣中常出現雜質，很容易引起催化劑中毒，導致催化劑中毒的毒物(抑制劑主要有磷、鉛、鉍砷、錫、汞、亞鐵離子鋅、鹵素等。催化劑載體起到節省催化劑，增大催化劑有效面積，使催化劑具有一定機械強度，減少燒結，提高催化活性和穩定性的作用。能作為載體的材料主要有Al₂O₃鐵釩、石棉、陶土、活性炭、金屬等，zui常用的是陶瓷載體一般制成網狀、球狀、柱狀、峰窩狀。另外近年來研究較多且成功的有絲光沸石等。對催化燃燒而言，今后研究的重點與熱點仍將是探索高活性的催化劑及其載體，催化氧化機理。
二、吸附法
    有機廢氣中的吸附法主要適用于低濃度、高通量有機廢氣。現階段，這種有機廢氣的處理方法已經相當成熟，能量消耗比較小，但是處理效率卻非常高，而且可以*凈化有害有機廢氣。實踐證明，這種處理方法值得推廣應用。
    但是這種方法也存在一定缺陷，它需要的設備體積比較龐大，而且工藝流程比較復雜；如果廢氣中有大量雜質，則容易導致工作人員中毒。所以，使用此方法處理廢氣的關鍵在于吸附劑。當前，采用吸附法處理有機廢氣，多使用活性炭，主要是因為活性炭細孔結構比較好，吸附性比較強。
    此外，經過氧化鐵或臭氧處理，活性炭的吸附性能將會更好，有機廢氣的處理將會更加安全和有效。
三、生物處理法
    從處理的基本原理上講，采用生物處理方法處理有機廢氣，是使用微生物的生理過程把有機廢氣中的有害物質轉化為簡單的無機物，比如CO₂、H₂O和其它簡單無機物等。這是一種無害的有機廢氣處理方式。
一般情況下，一個完整的生物處理有機廢氣過程包括3個基本步驟：
1、有機廢氣中的有機污染物先與水接觸，在水中可以迅速溶解；
2、在液膜中溶解的有機物，在液態濃度低的情況下，可以逐步擴散到生物膜中，進而被附著在生物膜上的微生物吸收；
3、被微生物吸收的有機廢氣，在其自身生理代謝過程中，將會被降解，zui終轉化為對環境沒有損害的化合物質。
四、變壓吸附分離與凈化技術
    變壓吸附分離與凈化技術是利用氣體組分可吸附在固體材料上的特性，在有機廢氣與分離凈化裝置中，氣體的壓力會出現一定的變化，通過這種壓力變化來處理有機廢氣。
    PSA技術主要應用的是物理法，通過物理法來實現有機廢氣的凈化，使用材料主要是沸石分子篩。沸石分子篩，在吸附選擇性和吸附量兩方面有一定優勢。在一定溫度和壓力下，這種沸石分子篩可以吸附有機廢氣中的有機成分，然后把剩余氣體輸送到下個環節中。在吸附有機廢氣后，通過一定工序將其轉化，保持并提高吸附劑的再生能力，進而可讓吸附劑再次投入使用，然后重復上步驟工序，循環反復，直到有機廢氣得到凈化。
    近年來，該技術開始在工業中應用，對于氣體分離有良好效果。該技術的主要優勢有：能源消耗少、成本比較低、工序操作自動化及分離凈化后混合物純度比較高、環境污染小等。使用該技術對于回收和處理有一定價值的氣體效果良好，市場發展前景廣闊，成為未來有機廢氣處理技術的發展方向。
五、氧化法
    對于有毒、有害，而且不需要回收的VOC，熱氧化法是的處理技術和方法。氧化法的基本原理：VOC與O₂發生氧化反應，生成CO₂和H₂O，化學方程式如下：
aC_xH_yO_z + bO₂ ——> cCO₂ + dH₂O
    從化學反應方程式上看，該氧化反應和化學上的燃燒過程相類似，但其由于VOC濃度比較低，在化學反應中不會產生肉眼可見的火焰。一般情況下，氧化法通過兩種方法可確保氧化反應的順利進行：*種加熱。使含有VOC的有機廢氣達到反應溫度；第二種使用催化劑。如果溫度比較低，則氧化反應可在催化劑表面進行。所以，有機廢氣處理的氧化法分為以下兩種方法：
    1、催化氧化法。現階段，催化氧化法使用的催化劑有兩種，即貴金屬催化劑和非貴金屬催化劑。貴金屬催化劑主要包括Pt、Pd等，它們以細顆粒形式依附在催化劑載體上，而催化劑載體通常是金屬或陶瓷蜂窩，或散裝填料；非貴金屬催化劑主要是由過渡元素金屬氧化物，比如MnO₂，與粘合劑經過一定比例混合，然后制成的催化劑。為有效防止催化劑中毒后喪失催化活性，在處理前必須*清除可使催化劑中毒的物質，比如Pb、Zn和Hg等。如果有機廢氣中的催化劑毒物、遮蓋質無法清除，則不可使用這種催化氧化法處理VOC。
    2、熱氧化法。熱氧化法當前分為三種：熱力燃燒式、間壁式、蓄熱式。三種方法的主要區別在于熱量回收方式。這三種方法均能催化法結合，降低化學反應的反應溫度。
    熱力燃燒式熱氧化器，一般情況下是指氣體焚燒爐。這種氣體焚燒爐由助燃劑、混合區和燃燒室三部分組成。其中，助燃劑，比如天然氣、石油等，是輔助燃料，在燃燒過程中，焚燒爐內產生的熱混合區可對VOC廢氣預熱，預熱后便可為有機廢氣的處理提供足夠空間、時間，zui終實現有機廢氣的無害化處理。
    在供氧充足條件下，氧化反應的反應程度——VOC去除率——主要取決于“三T條件”：反應溫度(Temperat)、時間(Time)、湍流混合情況(Turbulence)。這“三T條件”是相互的，在一定范圍內，一個條件的改善可使另外兩個條件降低。熱力燃燒式熱氧化器的缺點在于：輔助燃料價格高，導致裝置操作費用比較高。
    間壁式熱氧化器指的是在熱氧化裝置中，加入間壁式熱交換器，進而把燃燒室排出氣體的熱量傳送給氧化裝置進口處溫度比較低的氣體，預熱完成后便可促成氧化反應。現階段，間壁式熱交換器的熱回收率zui高可達85%，因此大幅降低了輔助燃料的消耗。一般情況下，間壁式熱交換器有三種形式：管式、殼式和板式。由于熱氧化溫度必須控制在800℃～1000℃范圍內，因此，間壁式熱交換必須由不銹鋼或合金材料制成。所以間壁式熱交換器的造價相當高，而這也是其缺點所在。此外，材料的熱應力也很難消除，這是間壁式熱交換的另外一個缺點。
    蓄熱式熱氧化器，簡稱為RTO，在熱氧化裝置中計入蓄熱式熱交換器，在完成VOC預熱后便可進行氧化反應。現階段，蓄熱式熱氧化器的熱回收率已經達到了95%，且其占用空間比較小，輔助燃料的消耗也比較少。由于當前的蓄熱材料可使用陶瓷填料，其可處理腐蝕性或含有顆粒物的VOC氣體。
    現階段，RTO裝置分為旋轉式和閥門切換式兩種，其中，閥門切換式是zui常見的一種，由2個或多個陶瓷填充床組成，通過切換閥門來達到改變氣流方向的目的。
六、液體吸收法
    液體吸收法指的是通過吸收劑與有機廢氣接觸，把有機廢氣中的有害分子轉移到吸收劑中，從而實現分離有機廢氣的目的。這種處理方法是一種典型的物理化學作用過程。有機廢氣轉移到吸收劑中后，采用解析方法把吸收劑中有害分子去除掉，然后回收，實現吸收劑的重復使用和利用。
    從作用原理的角度劃分，此方法可分為化學方法和物理方法。物理方法是指利用物質之間相溶的原理，把水看作吸收劑，把有機廢氣中的有害分子去除掉，但是對于不溶于水的廢氣，比如苯，則只能通過化學方法清除，也就是通過有機廢氣與溶劑發生化學反應，然后予以去除。
七、冷凝回收法
    在不同溫度下，有機物質的飽和度不同，冷凝回收法便是利用有機物這一特點來發揮作用，通過降低或提高系統壓力，把處于蒸汽環境中的有機物質通過冷凝方式提取出來。冷凝提取后，有機廢氣便可得到比較高的凈化。其缺點是操作難度比較大，在常溫下也不容易用冷卻水來完成，需要給冷凝水降溫，所以需要較多費用。這種處理方法主要適用于濃度高且溫度比較低的有機廢氣處理。
八、超氧納米微氣泡法
    超氧納米微氣泡是指3-8微米以下超微細氣泡的氣泡(Superoxide nanometer micro bubble)，也稱“超微細真空氣泡”，是納米級的水氣泡，它使水分子的原子團變的更小、超微細氣泡中的氧更容易溶入原子團的間隙中，同時氧分子打破了水的界面使超微細氣泡更容易溶入水中；水分子團始終進行著“布朗運動”，不斷地進行不規則沖撞。
    在“布朗運動”的同時，超微細氣泡也沉降、破裂；超微細氣泡的會合期(超微細氣泡的壽命)zui長可為24天左右。在大量超微細氣泡在與異味氣體結合時破裂，瞬間產生巨大能量(約3微秒時間)，破裂時產生一定能量的超聲波(水能量波)、并產生大量的氧負離子。這種超微細真空氣泡能起到捕捉并分解VOC及異味分子。
超氧納米微氣泡法的優點：
1、運行中所使用載體只有水、而且是一般水體，不許經過任何處理的。
2、電能消耗特別低，只有低功率的電機耗能及排風設備。    
3、調整特殊的氣霧捕捉裝置，可從低濃度到高濃度的有機廢氣處理率達90%以上的凈化率。
4、處理有機廢氣的水體可循環再使用。
5、對于噴涂廢氣后的廢漆料可100%礦化處理，沒有二次污染(UV漆除外)。
6、占地面積極小。
7、運行成本及維護費用非常低廉。
8、設備可重新拆解組合，部件使用率可達95%以上。
9、 維護費用低廉。
缺點：
1、造價偏高、屬中等偏上價位。
2、技術含量高，非一般設備商可操作的。需要技師調試。
3、對于處理過的廢氣因水氣含量高，所以檢測方法是必須將排氣中水分充分去除后才能得到正確的數值。