有機(jī)廢氣是石油化工、噴漆、制藥、印刷所排放的最常見的污染物。揮發(fā)性有機(jī)廢氣（VOCS）是指沸點(diǎn)在50～260℃、室溫下飽和蒸氣壓超過133.3 Pa 的易揮發(fā)性有機(jī)化合物，其主要成分為烴類、硫化物、氨等。這些有機(jī)廢氣會(huì)造成大氣污染，危害人體健康多數(shù)具有毒性，對(duì)人類的健康和環(huán)境均具有危害。部分有機(jī)物被列為致癌物，如苯、多環(huán)芳烴、氯乙烯、乙腈等。由于VOCs的危險(xiǎn)性，很多國家均頒布法令對(duì)VOCs排放進(jìn)行控制，我國的《大氣污染防治法》也要求對(duì)工業(yè)產(chǎn)生的VOCs氣體進(jìn)行回收利用，這些均促使VOCs處理技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。
目前國內(nèi)外對(duì)治理揮發(fā)性有機(jī)廢氣開展了大量的研究和應(yīng)用，下面將對(duì)這些處理技術(shù)加以介紹。
處理技術(shù)現(xiàn)狀
要想從根本上避免或者減少有機(jī)廢氣的排放，首先要不斷改進(jìn)生產(chǎn)的工藝和設(shè)備，包括改進(jìn)原材料、操作的工藝條件，從源頭上減少VOCs的生成和揮發(fā)。
目前國內(nèi)外VOCs的處理方法主要有兩類：一類是破壞法，另一類是回收法。破壞法主要有熱氧化、催化燃燒、生物氧化及集成技術(shù)。該類方法主要是通過化學(xué)或者生物反應(yīng)，用熱、催化劑和微生物將有機(jī)物轉(zhuǎn)變成為CO2和水�；厥辗ㄖ饕校豪淠�、吸收法、膜分離法和吸附法。
圖1：有機(jī)廢氣的主要處理技術(shù)方法
破壞法技術(shù)
熱氧化法
熱氧化系統(tǒng)也稱為微粒污染物焚燒爐，可以去除95%~99%的VOCs。系統(tǒng)的處理能力為1500~800000m3/hr，VOCs的濃度范圍為100~2000ppm。一般的停留時(shí)間為0.5~1s。熱氧化的操作溫度為700~1000℃[1]。為了操作的安全起見，進(jìn)氣中VOCs的濃度最好不要超過其爆炸下限的25%。在燃燒氯代烴以及含硫化合物時(shí)，由于有酸性物質(zhì)生產(chǎn)，需要對(duì)燃燒尾氣進(jìn)行進(jìn)一步處理。
催化燃燒法
催化燃燒系統(tǒng)采用貴金屬鉑、鈀催化劑，使得有機(jī)氣體中的碳?xì)浠衔镌谳^低的溫度下(500～700℃)，通過催化劑的作用被氧化分解成無害氣體并釋放熱量。這種高濃度的有機(jī)氣體在催化燃燒時(shí)所放出的熱量足以維持其催化反應(yīng)時(shí)所需要的溫度,無需外加熱源[2]。在催化燃燒過程中，燃燒反應(yīng)溫度低,一般比熱焚燒要低300～500℃，由于燃燒完全不會(huì)產(chǎn)生CO 和剩余可燃?xì)怏w，不易生成高溫下的二次污染物如二惡英、氮氧化物等，而且脫除污染物效率高，還可以回收熱量節(jié)約能源，最終有機(jī)氣體在催化劑的作用下于一定溫度下轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳,并排向大氣。此處理方法的關(guān)鍵問題是開發(fā)與研制一種起燃點(diǎn)低、催化活性高、穩(wěn)定和價(jià)廉的催化劑，提高催化劑對(duì)有毒氣體和污染氣體的消除率。
生物技術(shù)
生物技術(shù)最初是用于降低廢氣中的惡臭，隨著技術(shù)的發(fā)展證明生物法是高效、低價(jià)的VOCs脫除方法[3]。其實(shí)質(zhì)就是在適宜的環(huán)境條件下，附著在濾料介質(zhì)中的微生物利用廢氣中的有機(jī)成分作為碳源和能源，維持生命活動(dòng)并將有機(jī)物分解成為CO2 和H2O 的過程，有機(jī)氮被轉(zhuǎn)化為氨氣，繼而轉(zhuǎn)化為硝酸，硫化物先轉(zhuǎn)化為硫化氫，繼而氧化為硫酸。對(duì)VOCs的脫除率的順序?yàn)榱蚧瘹?gt;芳烴>醛類和酮類>鹵代烴。除含氯較多的有機(jī)物分子難以降解外,一般的氣態(tài)污染物在生物過濾器中的降解速度為10～100 g/ m3·h ，生物過濾器對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物的去除率可達(dá)95 % ，對(duì)惡臭物質(zhì)達(dá)99 %。用于凈化有機(jī)廢氣的生物膜處理裝置，有生物濾池、生物滴濾池和生物洗滌塔三種形式。
回收法技術(shù)
冷凝法
通過降低氣體的溫度或者增加氣體的壓力，使得VOCs處于過飽和狀態(tài)，將VOCs組分冷凝下來。該方法適用于氣量小、高沸點(diǎn)和高濃度VOCs的回收。由于處理的VOCs濃度較高，其濃度往往處于爆炸上限，這樣在后續(xù)的冷凝過程中，氣體會(huì)進(jìn)入爆炸范圍，存在爆炸的危險(xiǎn)，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上需要增加惰性氣體保護(hù)等措施。冷凝法處理后的VOCs的濃度偏高，往往通過結(jié)合其它的過程，如吸附、吸收、膜分離法等，使得VOCs的濃度能夠達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。
吸收法
一般采用物理吸收，根據(jù)有機(jī)物相似相溶的原理，常采用沸點(diǎn)較高、蒸汽壓較低的柴油、煤油作為溶劑，使VOCs從氣相轉(zhuǎn)移到液相，然后對(duì)吸收液進(jìn)行解析處理，回收其中的VOCs，同時(shí)使溶劑得以再生。即將廢氣引入吸收液進(jìn)行凈化，待吸收液飽和后經(jīng)加熱、解析、冷凝回收；本法適用于大氣量、低溫度、低濃度的廢氣，VOCs的脫除率在95~98%。
膜分離法
膜分離是選用人工合成的或天然的膜材料為分離介質(zhì)，根據(jù)VOCs和空氣在膜內(nèi)滲透速率的差異，來實(shí)現(xiàn)兩者的分離[4]。傳遞過程的推動(dòng)力為氣體組分在膜兩側(cè)的分壓差。該法是一種新的高效分離方法。用膜分離法可回收的有機(jī)物包括脂肪族和芳香族化合物，鹵代烴、醛、酮、腈、酚、醇、胺、酯等。該法最適合處理有機(jī)物濃度較高的廢氣回收效率可以達(dá)到97 %以上。膜分離技術(shù)的傳統(tǒng)工藝如圖2所示。
圖2膜分離技術(shù)的傳統(tǒng)工藝
有機(jī)廢氣進(jìn)入壓縮機(jī)增壓后進(jìn)入冷凝器中冷凝,，其中冷凝下來的有機(jī)物可以回收，余下未冷凝的部分通過膜分離單元分成兩股，一部分為低壓富集VOCs的滲透氣流，返回至壓縮機(jī)入口，另一部分為貧VOCs氣流，直接從系統(tǒng)中排出。膜分離法回收有機(jī)氣體最早使用于汽油回收方面。目前在國內(nèi)的加油站和油庫已經(jīng)安裝了200多套的裝置[5]。
吸附法
根據(jù)吸附質(zhì)和吸附劑的作用原理可以分成物理吸附和化學(xué)吸附，VOCs處理過程大多是物理吸附。按照操作模式，物理吸附又分成變溫吸附和變壓吸附。目前使用的吸附劑為活性碳。
活性碳多是粉末狀或顆粒狀，經(jīng)過特殊的工藝處理后，能產(chǎn)生豐富的微孔結(jié)構(gòu)，這些人眼看不到的微孔能夠依靠分子力，吸附各種VOCs，從而達(dá)到凈化的目的。活性炭變溫吸附過程包括吸附凈化和熱脫再生。吸附凈化過程是將有機(jī)廢氣由排氣風(fēng)機(jī)送入吸附床，有機(jī)廢氣在吸附床被吸附劑吸附而使氣體得到凈化，熱脫再生過程是當(dāng)吸附床內(nèi)吸附劑所吸附的有機(jī)物達(dá)到允許的吸附量時(shí)，該吸附床已經(jīng)不能再進(jìn)行吸附操作，而轉(zhuǎn)入脫附再生。脫附再生即用熱空氣吹掃吸附劑，使吸附的有機(jī)物脫附出來達(dá)到使吸附劑的吸附能力再生的目的。
變壓吸附PSA 技術(shù)是利用氣體組分在固體吸附材料上吸特性的差異，通過周期性的壓力變化過程實(shí)現(xiàn)氣體的分離與凈化。在常溫及一定壓力條下,可把有機(jī)廢氣中吸附在活性炭上，沒有被吸附的氣體進(jìn)入下一個(gè)工段。吸附有機(jī)廢氣以后的吸附劑，通過降壓抽真空把有機(jī)物解吸，使吸附劑再生。再生后的吸附劑重新去吸附廢氣中的有機(jī)物，以此循環(huán)往復(fù)。生產(chǎn)過程中采用4 個(gè)相同的吸附塔在一臺(tái)計(jì)算機(jī)的控制下，通過調(diào)節(jié)閥變向不斷改變氣流的流向改變各塔的工作階段，來實(shí)現(xiàn)各塔的吸附與再生交替進(jìn)行。PSA 裝置采用四塔二均式工藝,該工藝的每個(gè)吸附塔必須經(jīng)過吸附、一均降、順向放壓、二均降、逆向放壓、沖洗、二均升、一均升和終充九個(gè)步驟;四個(gè)塔步驟相互錯(cuò)開,組成一個(gè)吸附- 解吸循環(huán)[6]。
活性碳吸附法適用于大風(fēng)量、低濃度、溫度不高的有機(jī)廢氣治理。在工業(yè)吸附過程中,活性炭是使用得最為廣泛的一種吸附劑。但它也存在不耐高溫、在濕潤的條件下不能保持很好的吸附能力、易燃的缺點(diǎn)。憎水性沸石吸附劑具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，不易燃，作為一種很好的替代吸附劑, 已被逐步開發(fā)應(yīng)用。
前景展望
在有機(jī)廢氣治理技術(shù)中，吸收和吸附技術(shù)雖然較為成熟和成型，但由于其處理設(shè)備容量有限，吸附劑需要再生等問題使得應(yīng)用受到限制。光催化氧化技術(shù)作為近年發(fā)展起來的新研究領(lǐng)域，由于存在設(shè)備成本較高和處理對(duì)象較單一等問題，尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，但通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和開發(fā)，該技術(shù)也將會(huì)走進(jìn)有機(jī)廢氣處理的實(shí)用化行列。催化燃燒技術(shù)不僅可以處理低、高濃度的有機(jī)廢氣，而且設(shè)備簡單，投資少，操作方便，凈化徹底，因此是目前應(yīng)用最廣泛的、經(jīng)濟(jì)有效的處理技術(shù)。目前該技術(shù)正以研制新型催化劑，如何防止催化劑因非VOCs 物質(zhì)造成的失活和重金屬造成的中毒作為研究方向。生物處理技術(shù)因其耗能低、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用便宜，較少形成二次污染，適用于不同規(guī)模的各類中、低濃度有機(jī)廢氣的處理，目前正受到各國的重視，工業(yè)應(yīng)用實(shí)例和應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地?cái)U(kuò)大，是一種很有應(yīng)用前景的技術(shù)。膜吸收凈化技術(shù)有它的特點(diǎn)和優(yōu)勢，但在優(yōu)勢膜和吸收液的選擇上還要進(jìn)行潛心研究，而且操作壓力的控制也是此技術(shù)的關(guān)鍵所在，目前該技術(shù)的研究也僅限于實(shí)驗(yàn)室階段。工業(yè)廢氣的成分一般都比較復(fù)雜,往往一種方法很難達(dá)到處理效果，因此需要加快聯(lián)合工藝的研究，重點(diǎn)開發(fā)不同單元處理工藝的組合技術(shù)，以達(dá)到提高去除效率，降低投資運(yùn)行費(fèi)用，減少二次污染的目的。如吸附一氧化法、生物一吸附法、吸收一吸附一氧化法等。
總之， 實(shí)際中采用何種技術(shù)來處理有機(jī)廢氣，主要考慮諸多因素，如VOCs的濃度、氣體流量以及排放要求、回收的可能性、爆炸和火災(zāi)的危險(xiǎn)等，不同技術(shù)的比較見下表1：
結(jié)語
對(duì)于有機(jī)廢氣的凈化處理，無論是廣泛采用的傳統(tǒng)處理方法，還是新開發(fā)的處理技術(shù)，由于其適用范圍、去除性能、投資運(yùn)行費(fèi)用等多方面因素，皆制約了單元處理技術(shù)的應(yīng)用。目前，除了推廣有機(jī)物的單元處理工藝外，重點(diǎn)開發(fā)不同單元處理工藝的組合技術(shù)，以達(dá)到提高去除效率，降低投資運(yùn)行費(fèi)用，減少二次污染的目的。隨著有機(jī)產(chǎn)品的大量使用，有機(jī)物污染已引起世界的高度重視，控制這類污染已成為各國的一項(xiàng)義不容辭且刻不容緩的任務(wù)。我國是一個(gè)發(fā)展中國家,面臨經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的雙重任務(wù)。為促使經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，開發(fā)經(jīng)濟(jì)有效的有機(jī)物的凈化處理技術(shù)已成為我國解決有機(jī)污染的重要課題。
表1有機(jī)廢氣處理技術(shù)的比較
處理技術(shù) VOCs濃度，ppm 脫除效率，% 操作溫度,℃ 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)
熱氧化 20~1000 95~99% 700 簡單易行 成本高
催化燃燒 100~1000 90~98 300 應(yīng)用廣泛，凈化徹底 投資和運(yùn)行成本高
生物法 <5000 60~95 常溫 無二次污染 不能處理高濃度有機(jī)廢氣
冷凝法 >5000 70~85 常溫&低溫 投資運(yùn)行費(fèi)用低 效率低，設(shè)備龐大
吸收法 500~15000 90~98 常溫&低溫 技術(shù)成熟，適應(yīng)性強(qiáng) 吸附容量有限
吸附法 700~10000 80~90 <60 脫除效率高，能耗低 吸附劑需再生，流程復(fù)雜
膜分離法 2000~50000 90~99 常溫 過程簡單 處理氣量小 |
