VOC废气处理技术

VOC(Volatile Organic Compounds)，中文全称挥发性有机化合物。在现代化工业中，通常将其作为一种溶剂，使用过程中便会挥发排放到大气中。在石油化工、印刷、人造皮革、电子行业、涂料和医药等行业应用比较广泛。普通意义上的VOC就是指挥发性有机物；但是环保意义上的定义是指活泼的一类挥发性有机物，即会产生危害的那一类挥发性有机物。目前VOC废气处理技术主要包括热破坏法、变压吸附分离与净化技术、吸附法和氧化处理方法等。
一、热破坏法
    热破坏法是指直接和辅助燃烧有机气体，也就是VOC，或利用合适的催化剂加快VOC的化学反应，zui终达到降低有机物浓度，使其不再具有危害性的一种处理方法。
热破坏是目前应用比较广泛也是研究较多的有机废气处理方法，特别是对低浓度有机废气处理效果比较好。有机化合物的热破坏可分为直接火焰燃烧和催化燃烧。直接火焰燃烧是一种有机物在气流中直接燃烧和辅助燃料燃烧的方法。多数情况下，有机物浓度较低，不足以在没有辅助燃料时燃烧。直接火焰燃烧在适当温度和保留时间条件下，可以达到99%的热处理效率。
    催化燃烧是有机物在气流中被加热，在催化床层作用下，加快有机物化学反应(或破坏效率的方法)，催化剂的存在使有机物在热破坏时比直接燃烧法需要更少的保留时间和更低的温度，是高浓度、小流量有机废气净化的技术。催化剂在催化燃烧系统中起着重要作用。用于有机废气净化的催化剂主要是金属和金属盐，金属包括贵金属和非贵金属。目前使用的金属催化剂主要是Pt、Pd，技术成熟，而且催化活性高，但价格比较昂贵而且在处理卤素有机物，含N、S、P等元素时，有机物易发生氧化等作用使催化剂失活。非金属催化剂有过渡族元素钴、稀土等。近年来催化剂的研制无论是国内还是国外进行得较多，而且多集中于非贵金属催化剂并取能得了很多成果。例如V₂O₅ + MOX(M：过渡族金属) + 贵金属制成的催化剂用于治理甲硫醇废气，Pt + Pd + Cu催人剂用于治理含氮有机醇废气。
    由于有机废气中常出现杂质，很容易引起催化剂中毒，导致催化剂中毒的毒物(抑制剂主要有磷、铅、铋砷、锡、汞、亚铁离子锌、卤素等。催化剂载体起到节省催化剂，增大催化剂有效面积，使催化剂具有一定机械强度，减少烧结，提高催化活性和稳定性的作用。能作为载体的材料主要有Al₂O₃铁钒、石棉、陶土、活性炭、金属等，zui常用的是陶瓷载体一般制成网状、球状、柱状、峰窝状。另外近年来研究较多且成功的有丝光沸石等。对催化燃烧而言，今后研究的重点与热点仍将是探索高活性的催化剂及其载体，催化氧化机理。
二、吸附法
    有机废气中的吸附法主要适用于低浓度、高通量有机废气。现阶段，这种有机废气的处理方法已经相当成熟，能量消耗比较小，但是处理效率却非常高，而且可以*净化有害有机废气。实践证明，这种处理方法值得推广应用。
    但是这种方法也存在一定缺陷，它需要的设备体积比较庞大，而且工艺流程比较复杂；如果废气中有大量杂质，则容易导致工作人员中毒。所以，使用此方法处理废气的关键在于吸附剂。当前，采用吸附法处理有机废气，多使用活性炭，主要是因为活性炭细孔结构比较好，吸附性比较强。
    此外，经过氧化铁或臭氧处理，活性炭的吸附性能将会更好，有机废气的处理将会更加安全和有效。
三、生物处理法
    从处理的基本原理上讲，采用生物处理方法处理有机废气，是使用微生物的生理过程把有机废气中的有害物质转化为简单的无机物，比如CO₂、H₂O和其它简单无机物等。这是一种无害的有机废气处理方式。
一般情况下，一个完整的生物处理有机废气过程包括3个基本步骤：
1、有机废气中的有机污染物先与水接触，在水中可以迅速溶解；
2、在液膜中溶解的有机物，在液态浓度低的情况下，可以逐步扩散到生物膜中，进而被附着在生物膜上的微生物吸收；
3、被微生物吸收的有机废气，在其自身生理代谢过程中，将会被降解，zui终转化为对环境没有损害的化合物质。
四、变压吸附分离与净化技术
    变压吸附分离与净化技术是利用气体组分可吸附在固体材料上的特性，在有机废气与分离净化装置中，气体的压力会出现一定的变化，通过这种压力变化来处理有机废气。
    PSA技术主要应用的是物理法，通过物理法来实现有机废气的净化，使用材料主要是沸石分子筛。沸石分子筛，在吸附选择性和吸附量两方面有一定优势。在一定温度和压力下，这种沸石分子筛可以吸附有机废气中的有机成分，然后把剩余气体输送到下个环节中。在吸附有机废气后，通过一定工序将其转化，保持并提高吸附剂的再生能力，进而可让吸附剂再次投入使用，然后重复上步骤工序，循环反复，直到有机废气得到净化。
    近年来，该技术开始在工业中应用，对于气体分离有良好效果。该技术的主要优势有：能源消耗少、成本比较低、工序操作自动化及分离净化后混合物纯度比较高、环境污染小等。使用该技术对于回收和处理有一定价值的气体效果良好，市场发展前景广阔，成为未来有机废气处理技术的发展方向。
五、氧化法
    对于有毒、有害，而且不需要回收的VOC，热氧化法是的处理技术和方法。氧化法的基本原理：VOC与O₂发生氧化反应，生成CO₂和H₂O，化学方程式如下：
aC_xH_yO_z + bO₂ ——> cCO₂ + dH₂O
    从化学反应方程式上看，该氧化反应和化学上的燃烧过程相类似，但其由于VOC浓度比较低，在化学反应中不会产生肉眼可见的火焰。一般情况下，氧化法通过两种方法可确保氧化反应的顺利进行：*种加热。使含有VOC的有机废气达到反应温度；第二种使用催化剂。如果温度比较低，则氧化反应可在催化剂表面进行。所以，有机废气处理的氧化法分为以下两种方法：
    1、催化氧化法。现阶段，催化氧化法使用的催化剂有两种，即贵金属催化剂和非贵金属催化剂。贵金属催化剂主要包括Pt、Pd等，它们以细颗粒形式依附在催化剂载体上，而催化剂载体通常是金属或陶瓷蜂窝，或散装填料；非贵金属催化剂主要是由过渡元素金属氧化物，比如MnO₂，与粘合剂经过一定比例混合，然后制成的催化剂。为有效防止催化剂中毒后丧失催化活性，在处理前必须*清除可使催化剂中毒的物质，比如Pb、Zn和Hg等。如果有机废气中的催化剂毒物、遮盖质无法清除，则不可使用这种催化氧化法处理VOC。
    2、热氧化法。热氧化法当前分为三种：热力燃烧式、间壁式、蓄热式。三种方法的主要区别在于热量回收方式。这三种方法均能催化法结合，降低化学反应的反应温度。
    热力燃烧式热氧化器，一般情况下是指气体焚烧炉。这种气体焚烧炉由助燃剂、混合区和燃烧室三部分组成。其中，助燃剂，比如天然气、石油等，是辅助燃料，在燃烧过程中，焚烧炉内产生的热混合区可对VOC废气预热，预热后便可为有机废气的处理提供足够空间、时间，zui终实现有机废气的无害化处理。
    在供氧充足条件下，氧化反应的反应程度——VOC去除率——主要取决于“三T条件”：反应温度(Temperat)、时间(Time)、湍流混合情况(Turbulence)。这“三T条件”是相互的，在一定范围内，一个条件的改善可使另外两个条件降低。热力燃烧式热氧化器的缺点在于：辅助燃料价格高，导致装置操作费用比较高。
    间壁式热氧化器指的是在热氧化装置中，加入间壁式热交换器，进而把燃烧室排出气体的热量传送给氧化装置进口处温度比较低的气体，预热完成后便可促成氧化反应。现阶段，间壁式热交换器的热回收率zui高可达85%，因此大幅降低了辅助燃料的消耗。一般情况下，间壁式热交换器有三种形式：管式、壳式和板式。由于热氧化温度必须控制在800℃～1000℃范围内，因此，间壁式热交换必须由不锈钢或合金材料制成。所以间壁式热交换器的造价相当高，而这也是其缺点所在。此外，材料的热应力也很难消除，这是间壁式热交换的另外一个缺点。
    蓄热式热氧化器，简称为RTO，在热氧化装置中计入蓄热式热交换器，在完成VOC预热后便可进行氧化反应。现阶段，蓄热式热氧化器的热回收率已经达到了95%，且其占用空间比较小，辅助燃料的消耗也比较少。由于当前的蓄热材料可使用陶瓷填料，其可处理腐蚀性或含有颗粒物的VOC气体。
    现阶段，RTO装置分为旋转式和阀门切换式两种，其中，阀门切换式是zui常见的一种，由2个或多个陶瓷填充床组成，通过切换阀门来达到改变气流方向的目的。
六、液体吸收法
    液体吸收法指的是通过吸收剂与有机废气接触，把有机废气中的有害分子转移到吸收剂中，从而实现分离有机废气的目的。这种处理方法是一种典型的物理化学作用过程。有机废气转移到吸收剂中后，采用解析方法把吸收剂中有害分子去除掉，然后回收，实现吸收剂的重复使用和利用。
    从作用原理的角度划分，此方法可分为化学方法和物理方法。物理方法是指利用物质之间相溶的原理，把水看作吸收剂，把有机废气中的有害分子去除掉，但是对于不溶于水的废气，比如苯，则只能通过化学方法清除，也就是通过有机废气与溶剂发生化学反应，然后予以去除。
七、冷凝回收法
    在不同温度下，有机物质的饱和度不同，冷凝回收法便是利用有机物这一特点来发挥作用，通过降低或提高系统压力，把处于蒸汽环境中的有机物质通过冷凝方式提取出来。冷凝提取后，有机废气便可得到比较高的净化。其缺点是操作难度比较大，在常温下也不容易用冷却水来完成，需要给冷凝水降温，所以需要较多费用。这种处理方法主要适用于浓度高且温度比较低的有机废气处理。
八、超氧纳米微气泡法
    超氧纳米微气泡是指3-8微米以下超微细气泡的气泡(Superoxide nanometer micro bubble)，也称“超微细真空气泡”，是纳米级的水气泡，它使水分子的原子团变的更小、超微细气泡中的氧更容易溶入原子团的间隙中，同时氧分子打破了水的界面使超微细气泡更容易溶入水中；水分子团始终进行着“布朗运动”，不断地进行不规则冲撞。
    在“布朗运动”的同时，超微细气泡也沉降、破裂；超微细气泡的会合期(超微细气泡的寿命)zui长可为24天左右。在大量超微细气泡在与异味气体结合时破裂，瞬间产生巨大能量(约3微秒时间)，破裂时产生一定能量的超声波(水能量波)、并产生大量的氧负离子。这种超微细真空气泡能起到捕捉并分解VOC及异味分子。
超氧纳米微气泡法的优点：
1、运行中所使用载体只有水、而且是一般水体，不许经过任何处理的。
2、电能消耗特别低，只有低功率的电机耗能及排风设备。    
3、调整特殊的气雾捕捉装置，可从低浓度到高浓度的有机废气处理率达90%以上的净化率。
4、处理有机废气的水体可循环再使用。
5、对于喷涂废气后的废漆料可100%矿化处理，没有二次污染(UV漆除外)。
6、占地面积极小。
7、运行成本及维护费用非常低廉。
8、设备可重新拆解组合，部件使用率可达95%以上。
9、 维护费用低廉。
缺点：
1、造价偏高、属中等偏上价位。
2、技术含量高，非一般设备商可操作的。需要技师调试。
3、对于处理过的废气因水气含量高，所以检测方法是必须将排气中水分充分去除后才能得到正确的数值。