论工业废气中VOCs处置方法的选择

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摘 要：随着我国工业经济的快速发展，在产生巨大的经济利益的同时，也伴随产生各类有毒有害废气，其中，就包含挥发性有机废气VOCs，不但污染了环境，也给人们的生存和发展埋下了不良隐患。而如今，随着社会发展和国民素质的提高，人们逐步认识到了VOCs的危害，国家陆续出台了相应的污染防治技术政策和标准要求，但我国VOCs废气治理仍处于探索和不断发展的阶段，需要针对不同行业不同种类的VOCs废气 “因地制宜”选择处置方法，有效避免其对环境的危害。
关键词：VOCs;治理;技术
产生VOCs的污染源包括工业源和生活源，其中，工业源占比大，包括：化工与石油化工、制药、涂料、胶粘剂、农药、包装印刷（油墨）、纺织、电镀、汽车制造、交通运输等。VOCs具有污染来源广泛、污染物种类多、排放强度大、排放浓度不一、持续时间长等特点。需要针对不同行业不同种类的VOCs采取相应的处理处置方法，才能有效降低其对环境的危害。
1 VOCs的种类、特点及治理现状
VOCs按其化学结构的不同，可分为八类：烷类、芳香烃类、烯类、卤烃类、醛类、酮类、酯类及其他。VOCs的主要成分有：烃类、卤代烃、氧烃和氮烃，它包括苯系物、有机氯化物、氟利昂系列、有机酮、胺、醇、醚、酯、酸和石油烃化合物等。
通过对VOCs治理的实践发现，相较治理常规污染物SO2、NOx等，VOCs的治理难度更大，具体表现在以下几个方面：①其挥发性有机化合物的统称，包含的种类繁多，现已查明的种类已达数千种，与人类密切接触并可影响人体健康和对大自然造成污染的就有两百余种;②在对其治理时，其中多种类的有机污染物常常混杂在一起，给治理方法的选取，增加了难度;③对于一些排放VOCs成分和浓度不规律的企业，及一些环保意识不强的中小企业，由于本身的技术力量差，无分析手段，外购的原料最终产生的VOCs成分不明确，这给治理增加了难度;④国家对不同行业VOCs的减排与控制的政策法规尚不完善。
随着国家近年来对VOCs排放控制的重视，如：2010年国务院首次将VOCs控制提上日程;2012年环保部全面开展VOCs污染防治工作;2016年的《中华人民共和国大气污染防治法》，对VOCs污染防治在源头治理、过程控制和末端治理等方面都提出了具体要求，且规定了相应的处罚措施，自此，我国VOCs的治理有了真正的法律依据。但治理队伍普遍技术水平不高，尤其是对治理技术的原理了解较浅，其对治理的难度认识也不足，往往不能合理选择治理技术，故我国VOCs废气的治理还处于探索和不断发展的阶段。
2 VOCs治理技术及选取方法
VOCs污染防治应遵循源头和过程控制与末端治理相结合的综合防治原则。在工业生产中采用清洁生产技术，提高含VOCs原料的转化和利用效率，严格控制含VOCs原料与产品在生产和储运、销过程中的VOCs排放，鼓励对资源和能源的回收利用;鼓励在生产和生活中使用不含VOCs的替代产品或低VOCs含量的产品。本文主要对工业废气VOCs的末端治理技术作论述，旨在为治理技术选取提供帮助。
目前，VOCs末端治理技术大体上可分为两类：一类是回收技术;另一类是消除技术。回收技术是通过物理方法，在一定的温度、压力下，用选择性吸收、吸附剂或选择性渗透膜等方法来分离挥发性有机物，主要包括：吸附法、吸收法、冷凝法和膜分离法等，回收的溶剂可直接用于质量要求低的生产工艺，或集中进行分离提纯;消除技术是通过化学或生物反应等，在光、热、催化剂和微生物等的作用下将有机物转化为水和二氧化碳等无毒无害无机小分子化合物的方法，主要包括：燃烧法、生物法、光催化氧化法、低温等离子体法等。
2.1 回收技术
2.1.1 吸附法
该法是利用多孔性固体介质（吸附剂）处理VOCs，使其中所含的一种或数种组分被吸附于或浓缩于固体表面，以达到分离的目的。
该法去除效率高，适用于处理大风量、低浓度、不含水或颗粒物的有机废气。其优势在于：①采用干床层、非腐蚀系统;②良好的控制和对过程变化的敏感;③可实现全自动运行;④能把气流中的污染物去除到极低的含量，使其达到排放标准，又能回收这些物质，实现废物资源化。但该法同样存在不足：首先，由于吸附剂的吸附容量小，故而吸附剂的用量很大，需经常更换;其次，由于吸附剂是固体，吸附过程是放热反应，如采用活性炭作为吸附剂有燃烧隐患，通常情况下吸附剂需再生处理，以不影响吸附装置的正常运行和处理效率。
根据吸附的作用力不同，把吸附分为物理和化学吸附;在吸附的工业应用上，又分为变温和变压吸附。常用吸附剂为：活性炭、活性氧化铝、沸石分子筛、活性白土、高聚物吸附樹脂等。
2.1.2 吸收法
该法是利用气体混合物中各组分在一定液体中溶解度的不同而分离气体混合物。
该法适用于大风量、高浓度可溶性挥发性有机物的吸收，如：溶于水的高浓度挥发性有机物，可采用水作为吸收剂;也可作为生物法的预处理部分，吸收低浓度的VOCs，所得吸收液再用生物法处理，该法常用于臭气治理。
吸收装置的典型代表为酸雾洗涤塔;常用吸收剂有：水、高沸点有机溶剂。
2.1.3 冷凝法
该法是利用不同温度下物质饱和蒸汽压不同的性质，通过降温、升压或者两种方法联合的手段冷凝分离废气中处于蒸汽状态的污染物。
该法适用于处理体积分数大于0.5%、常温、高湿、高浓度、中等废气流量的有机废气，特别是有害组分单纯的废气;可作为燃烧与吸附净化的预处理方法，如：有害物质含量较高时，可使用冷凝回收法作为预处理方法。该法优点在于：①技术和设备简单，受外界温度、压力影响小，也不受气液比的影响，回收效果稳定，回收物质纯度高，即处理效率高;②可在常压下直接冷凝，工作温度皆低于VOCs各成分的闪点，安全性好;③可直接回收到有机液体，无二次污染。不足在于：该法对废气的净化程度受冷凝温度的限制，要求处理程度高时，所需经济成本高。
常用的制冷方法有机械制冷和液氮制冷。
2.1.4 膜分离法
该法是VOCs混合废气在压力梯度作用下，透过特定薄膜时，不同气体具有不同的渗透性能和通过速度，从而使废气混合物中的不同组分达到分离的效果。
该法适用于处理体积分数大于0.1%、小风量、高浓度的VOCs。优点：能耗低、成本低、效率高、无污染并可回收有利用价值的物质;也可与冷凝、吸附、吸收等回收类技术组合处理，以降低处理设备的投资和运行成本、提高系统运行的安全性。
常见分离膜有：高分子聚合物膜、陶瓷膜、玻璃膜、金属膜和分子筛炭膜。
2.2 消除技术
2.2.1 燃烧法
该法适用于净化可燃性有机废气或在高温下可分解的有害物质，原理是用过量的空气使有机废气燃烧，生成二氧化碳和水，从而达到去除废气的目的。该法对处理VOCs与恶臭的化合物非常有效。
燃烧法主要包括三种方法：直接燃烧法、热力燃烧法和催化燃烧法。
①直接燃烧法：当废气中可燃有害组分的浓度较高或其热值较高时，可用此法处理;②热力燃烧法：当有机废气浓度较低或燃烧热值较低时，借助燃料燃烧，使有机废气被加热到着火温度，进行充分氧化燃烧和分解去除;③催化燃烧法：在催化燃烧过程中，利用催化剂表面先通过吸附，使反应物分子富集于表面，进而进行催化反应，由于催化剂能够降低反应的活化能，故可使有机废气在较低温度下发生无焰燃烧和分解去除。
催化燃烧法也可与吸附浓缩组合处理大风量、低浓度的VOCs，提高废气的净化效率，降低运行费用。但该法对进入处理的废气要求较严格，废气中不得含有重金属、尘粒等易引起催化剂中毒的物质;该法具有代表性的催化剂有贵金属铂、钯系列和稀土金属系列。
另需要注意的是，若采用燃烧法处理含硫和含氯VOCs，燃烧会产生HCl和SO2，需进一步处理达标后排放。
2.2.2 生物法
该法净化原理是微生物在适宜的环境条件下，利用废气中的有机组分作为微生物生命活动的能源或其他养分，进行生长、繁殖，扩大种群，在此过程中会产生大量的生物酶催化剂，微生物就是依靠其所产生的具有高度催化活性的生物酶，来对污染物进行降解，最終转化为简单的无机物（二氧化碳和水等）、细胞代谢的能源及细胞组成物质。
该法适用于处理体积分数小于0.1%、低-高浓度、大风量的可被生物降解的VOCs。其优点为：工艺简单、适用范围广、处理效率高，投资运行费用低，无二次污染;缺点是：对高浓度、生物降解性差及难生物降解物质的VOCs去除率低。
2.2.3 光催化氧化法
该法是利用TiO2作为催化剂的光催化过程，光催化是利用紫外线光波照射TiO2，在有水分的情况下产生羟基自由基（·OH）和活性氧物质（·O2-，H2O·），其中羟基自由基（·OH）是光催化反应的一种主要的活性物质，对光催化氧化起决定作用。
该法适用于处理大风量、低浓度和稳定性强的VOCs，反应条件温和，光解迅速、氧化性强，且光催化剂的寿命长、能耗低、操作简便，处理后的产物主要为CO2和H2O，无二次污染，且适用范围广，烃、醇、醛、酮、氨等VOCs有机物废气，都能通过TiO2光催化清除。
2.2.4 低温等离子体法
该法的净化作用机理包含两个方面：一是在产生等离子体的过程中，高频放电所产生的瞬间高能足够打开一些有机废气有害分子内的化学键，使之分解为单质原子或无害分子;二是等离子体中包含大量的高能电子、正负离子、激发态粒子和具有强氧化性的自由基，这些活性粒子和部分有害分子碰撞结合，在电场作用下，使有害分子处于激发态;当有机废气有害分子获得的能量大于其分子键能的结合能时，有害分子的化学键断裂，直接分解成单质原子或由单一原子构成的无害气体分子，同时产生的大量OH、HO2、O等活性自由基和氧化性极强的O3，与有害分子发生化学反应，最终生成无害产物。
该法适用于处理大风量、低浓度VOCs，但该法的净化效率较低，国家对其限制推广。
3 结语
目前，我国的VOCs废气治理技术还处于探索和不断发展的阶段，本文列举的几种治理技术都是优点和不足并存的，对企业而言，应遵循源头和过程控制与末端治理相结合的综合防治原则，并结合我们自身的情况，针对不同种类的VOCs废气“因地制宜”选择处置方法，方可起到有效治理的目的，维护我们共同赖以生存和发展的美好环境。
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作者简介：
王佳元（1985- ），女，江西南昌人，本科，环境工程工程师，就职于江西乾照光电有限公司，从事环境影响评价与环境保护、环境管理方向研究。