挥发性有机废气净化技术研究进展_王宝庆

要来源于石油化工行业所排放的废气 ;造纸 、油漆 、 理中均有此方面的成功应用 , 而在空气净化中的应
涂料 、采矿 、金属电镀和纺织等行业所排出的有机溶 用 , 国外已有小规模的成功范例 , 国内尚处于起步阶
剂 ;交通工具所排放的废气及其他可能排放有毒有 段 。
害有机废气的污染源 。 挥发性有机废气对环境 、动
摘 要 综述了微波催化氧化 、膜基吸收净化 、生物过滤净化和纳米材料净化对废气中 的挥发性有 机化合物 的研究进 展及应用 。
关键词 挥发性有机物 微波催化 膜基吸收 生物过滤 纳米材料
Development in research of technology for purifying volatile organic compounds from exhaust gases
准》 中 , 限定了 33 种污染物 的排放限值 , 其中 包括 苯 、甲苯 、二甲苯等挥发性有机物[ 2] 。近年来 , 逐渐 发展了不同的 VOCs 的新型控制技术 , 它们与传统 的燃烧法 、化学洗涤法 、催化氧化法和吸附法相比 , 都有明显的优点 。 本文将对微波催化氧化技术 、膜 基吸收净化技术 、生物过滤净化技术 、纳米材料净化
第 4 卷第 5 期 200 3 年5 月
环境污染治理技术与设备 Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control
Vol .4 , No .5 May 2 0 0 3
挥发性有机废气净化技术研究进展
王宝庆 马广大 陈剑宁
(西安建筑科技大学环境工程与市政工 程学院 , 西安 710055)
有流程简单 、VOCs 回收率高 、能耗低 、无二次污染等
优点 。
膜基吸收净化技术是采用中空纤维微孔膜 , 使
需要接触的两相分别在膜的两侧流动 , 两相的接触
发生在膜孔内或膜表面的界面上 , 这样就可避免两
相的直接接触 , 防止了乳化现象的发生 。 与传统膜
分离技术相比 , 膜基吸收的选择性取决于吸收剂 , 且
剂完全吸收 , 达到空气净化的目的 。 张达欣等[ 6] 利用微波 -炭还原技术处理 NO 的
Pgas — 气相压力 ;Cilb — 液相中 物质的浓 度 ;Cili —液 相膜 边界 物质的浓度;Cimi — 气液相 界面物质 的浓度 ;Pigb — 气相 中物 质的浓度 ;P igi — 气液界面物质的浓度 ;Pliquid — 液相压力
氧化 , 在较低温度下非氯代有机物被氧化为 CO2 和
剂须是一种惰性 、无毒 、不挥发的有机溶剂 , 吸收膜 对挥发性有机废气的吸收如图 2 所示[ 8] 。 在运行过
程中 , 始终保持气相压力比液相压力高 , 以保证膜气
体的有效吸收 。
H2O , 可以直接排入大气 ;氯代有机物被氧化为 CO2 、
0.17 m s 时 , 效率基本不变 , 当大于 0 .17 m s 时 , 气
速越大 , 停留时间越小 , 催化氧化效率越低 。 而 HCl
图 2 吸收膜对 VOCs 进行吸收时气 液浓度
的去除效率在气速变化的情况下基本上保持不变 。
和压力分布图
氧化产生的 HCl 气体可被 NaOH 溶液浸泡过的吸附
Abstract The research progress and application of catalysis oxidization by microwave energy , membrane-based absorption , bio-filter for purification and recovery , and nanometer materials for VOCs removal from exhaust gases are reviewed .
技术在控制 VOCs 的研究进 展及 应用进 行分析 和 探讨 。
收器 。 如果空气中不含有 NH3 或酸性气体 , 则不需 要沸石吸附床和相应的微波再生器 。若空气中不含 有氯代有机物 , 则不需要酸性气体吸收器 。 沸石吸 附器的应用是因为 活性炭对 NH3 及酸性 气体吸附 效果不佳 。
活性炭 沸石吸附器在对污染气体进行吸附后 , 送到微波再生器进行再生 , 微波能使被吸附物质迅 速从吸附剂上解吸出来 , 在载气 N2 作用下排出微波
而且吸附剂经 20 次解吸后基本上保持原有吸附能 作者简介 :王宝庆(1972 ～ ), 男 , 河北 滦县人 , 博士 研究生 。 研 究方
力[ 3] 。微波解吸技术对空气的净化基本上与其在水
向 :污染治理新工艺的开发与研究 。
48
环境 污染 治 理技 术与 设 备
4卷
2 膜基吸收净化技术
膜基吸收净化技术处理有机废气中的 VOCs , 具
Chang Yu Cha 等[ 3 , 5] 利用 微波空气净化技 术对
植物的生长及人类健康造成了极大的危害 , 许多发 含有三氯乙烯的废气进行处理时 , 工艺流程图如图
达国家都 颁布了 相应 的法令 , 限 制 VOCs 的排放 。 1 所示 。该过程有 4 个主要组成部分 , 即活性炭 沸石
我国 1997 年颁布并实施的《大气污染物综合排放标 吸附器 、微波再生器 、微波催化氧化器和酸性气体吸
研究表明 , 在微波能的辐照下 , NO 与 C 反应后产生
另一种膜是用来对吸收剂进行脱吸操作 , 在加
N2 和 CO2 , 反应率可达 98 %。宁平等[ 7] 对废气中的 热和抽真空条件下 , 将吸收剂中有机物脱吸出来 , 吸
甲苯用活性炭吸附后在微波能的辐照下再生活性炭 的研究表明 , 微波再生效果好 , 活性炭的吸附能力恢
H2O 和 HCl , 此时需将 HCl 用碱性物质进行吸收 。 Chang Yu Cha 等[ 3, 5] 试验研究表明 , 微波能再生
采用 200 W 微波能 , 而微波催化氧化所使用的微波
能为 1900 W 。 利用这一技术对含有三氯乙 烯的废
气进行处理 , 其催化氧化效率达 98 %。 催化氧化效 率依赖 于气体 速率或 气体 停留 时间 , 当气 速小 于
膜基吸收净化技术有它的特点和优势 , 但在优 势膜和吸收液的选择上要进行潜心研究 , 而且操作 压力的控制也是此技术的关键所 在 。 张林[ 13] 和徐 志康等[ 14] 对此技术的研究进展也作了相应的评述 。
3 生物过滤净化技术
生物过滤净化技术处理有机废气是近年来发展 起来的空气污 染控制 技术 。 在 20 世纪 80 年代 后 期 , 德国应用这一技术处理 VOCs 取得了成功 , 该工 艺在荷兰 、日本 、瑞士 、澳大利亚 、美国等国都得到了 较广泛的应用[ 15] 。 在中国 , 昆明理工大学 、同 济大 学 、西安建筑科技大学等单位的研究人员对此技术 也进行了探索和 尝试 。 生物净 化技术具有设 备简 单 , 运行费用低 、较少形成二次污染等优点 , 尤其在 处理低浓度 、生物可降解性好的气态污染物时更显
收剂回用 , 被脱吸出来的气体浓缩回收 。 脱吸膜对 挥发性有机物的脱吸如图 3 所示[ 8] 。在运行过程中
复得好 , 采用冷凝法回收甲苯的纯度高 。
须保持真空条件从而将气体脱除 。
微波催化氧化技术耗能低 , 解吸时间短 , 对吸附
在膜空气净化过程中 , 所用的膜是微孔疏水中
剂损耗小 , 但该技术对特定物质应选择合适的吸附 空纤维膜 , 只是在脱吸膜中膜的外表面有一层超薄
1 微波催化氧化技术
微波空气净化技术是由填料吸附 -解吸技术发 展而来 , 是将传统解吸方式转变为微波解吸 , 微波能
再生器 。微波催化氧化器中装有 SiC , 它能吸收微 波能 , 使催化氧化反应进行完全 。从微波再生器出 来的气体与大量空气一同送入微波催化氧化器进行
的应用大大减少了能量的消耗 , 并缩短了解吸时间 , 收稿日期 :2002 -09 -24 ;修订日期 :2002 -12 -18
膜空气净化装置工艺流程图如图 5 所示 。 污染 气体进入膜吸收器 , 吸收液对其进行吸收 , 压力控制 器控制气相压力比液相压力大 , 使吸收能够进行完 全 。 吸收了挥发性有机废气的吸收液被送到膜脱吸 器进行脱吸 , 脱吸始终在真空泵的控制下运行 , 脱吸 后的吸收液冷却后送到膜吸收器中循环使用 。脱吸 出的气体回收 。
Wang Baoqing Ma Guangda Chen Jianning
(College of Environmental &Muni cipal Engineering , Xi' an University of Architecture &Technology , Xi' an 710055)
膜基吸收只需要用低压作为推动力 , 使两相流体各
自流动 , 并保持稳定的接触界面 。
在膜基吸收净化技术过程中 , 有两种不同的中
空纤维膜被应用 。一种膜是对挥发性有机废气进行
吸收 。 吸收 剂须对挥发性有机 废气有很高的 溶解
性 , 而对空气中的其他成分基本上不溶解 , 而且吸收
图 1 微波空 气净化流程图 1 .微波沸石再生器 ;2.活性炭 沸石吸附器 ; 3 .微波活性炭再生器 ;4.微波氧化催化反应器 ; 5 .酸性气体净化器 ;6 .污染气体 ;7 .净化气体
图 5 膜基吸收净 化有机废气工艺流程图 1.空压机 ;2.膜脱吸器 ;3.热交 换器 ;4 .计量 泵 ;5 .吸 收液 贮槽 ;6 .膜吸 收 器 ;7 .控压 器 ;8 .热 交 换器 ;9.冷 却 器 ; 10 .真空泵 ;11 .净化气体 ;12 .污染气体 ;13 .纯化有机气体
图 4 膜装置中气液相流动图
剂 , 而且应着重研究微波功率 、加热时间 、载气流量 等离子聚合硅橡胶膜 , 它对 VOCs 有选择性透过作
等对微波催化氧化效率的影响 。
用 , 而吸收剂却不能透过 , 使脱吸操作顺利进行 。 这
5期
王宝庆等 :挥发性有机废气净化技术研究进展
49
化 , 去除效率可达 90 %以上 。 B .Xia[ 10] 和 T .K .Poddar 等[ 11] 用硅酮油作为吸收
S .Majumdar 等[ 8] 的研究试验表明 , 采用此方法 对含有甲乙基酮 、乙醇等的挥发性有机废气进行净
G .Obuskovic 等[ 12] 将变压吸附理论用于膜基吸 收 。 由于壳程的挥发性有机废气的分压远远小于管 程的分压 , 让废气间歇进入膜管内 , 当管内压力降到 与壳程分压相近时 , 再通入废气 , 这样操作会提高挥 发性有机废气的吸收效果 。
剂 , 采用中空纤维膜组件去除挥发性有机废气 。 含 有挥发性有机物的废气通过吸收膜 , 废气走中空纤 维膜内 , 吸收剂通过壳程 , 两相在微孔内进行接触 , 挥发性有机废气被吸收 ;吸收剂进入脱吸膜 , 通过加 热 、抽真空操作进行脱吸 , 该膜外侧涂上挥发性有机 物易透过的硅氧烷皮层 , 以防吸收剂在低压下流失 。
图 3 脱吸膜对 VOCs 进行脱吸时气液浓 度 和压力分布图
注 :图中压力与浓度的含义与图 2 一致
种膜基吸收净化技术对极性和非极性挥发性有机废 气均能去除 ;小流量和大流量均能适用 ;而且它是一 个连续过程 , 净化有机污染废气的效率很高 , 且可回 收有机物 。
膜吸收和膜脱吸过程中气液流动方向如图 4 所 示[ 8] 。
Key words VOCs ;catalysis oxidization by microwave energy ;membrane-based adsorption ;bio-filter ;nanome-
ter materials
来自百度文库
挥发性有机化合物(VOCs)是常见的污染物 , 它 处理中的应用类似 , 解吸原理都可以用“容器加热理 与颗粒物一样 , 是又一大类大气污染物[ 1] 。 它们主 论”和“体积加热理论” 加以解释[ 4] 。国内外在水处
由图 4 中可以看到 , 中间的挡板将膜吸收或脱 吸分成两部分 , 前区液体流动由中心向外 , 流动过程 中气体通过膜与液体充分吸收 , 然后液体到达周缘 , 绕过挡板后即进入后区 。 在后区液体由外周向中心 流动 , 直到排出膜反应器 。无论在前区还是后区 , 液 体与气体在膜两侧的分散面积都比传统的填料床或 板式塔的气流接触面积要大 5 —30 倍[ 9] , 这 就大大 提高了吸收与脱吸效率 。