VOCs的回收及處理技術大盤點

时间:2018-1-3 15:07:32

導讀:目前,VOCs對環境和人體造成了很大的危害,如何妥善回收與處理VOCs已成爲人們研究的焦點問題之一。

VOCs的回收技術

VOCs回收技術主要有冷凝法、吸附法、吸收法和膜分離法。根據VOCs的物理和化學性質,選擇不同的回收方法或幾種方法的組合來回收VOCs中的有機化合物,不僅可以減輕環境汙染,還會取得一定的經濟效益。

1冷凝法

冷凝法是簡單的回收VOCs的方法,它是利用物質在不同溫度下具有不同飽和蒸氣壓這一性質,將VOCs通過冷凝器降低到有機物的沸點以下,使有機物冷凝成液滴,再靠重力作用落到凝結區下部的貯罐中,從而分離出來,裝置如圖1。通常使用的冷卻介質主要有冷水、冷凍鹽水和液氨。該技術對于高濃度(百分之幾)、較高沸點、須回收的VOCs具有較好的經濟效益。

該方法所需設備和操作條件都比較簡單,所回收的VOCs的純度比較高,其回收率與VOCs初始濃度、沸點有關,VOCs的初始濃度越大、沸點越高,回收率越高,但要獲得較高的回收率需采用較低溫度的冷凝介質或采用較高的壓力。所以在實際應用中,冷凝法常與壓縮、吸附、吸收等過程聯合使用,以吸收或吸附手段濃縮VOCs、以冷凝法回收該有機物,達到經濟且回收率較高的目的。圖2爲冷凝法與吸附法聯合回收VOCs工藝流程圖。

2吸附法

吸附法已廣泛應用于淨化室內空氣、大氣汙染治理、石油化工等領域VOCs的回收處理。它分爲固定床吸附法、流動床吸附法和濃縮輪吸附法。其原理是利用具有密集的細孔結構、內表面積比較大的粒狀活性炭、炭纖維、矽膠、人工沸石等吸附劑的多孔結構,將VOCs組分吸附在固體表面,利用吸附劑不斷吸附、脫附的循環,達到淨化回收目的。研究表明,活性炭吸附VOCs性能佳。吸附劑吸附VOCs的效果除與吸附劑本身性質有關外還與VOCs的種類、濃度、性質以及吸附系統的溫度、壓力有關,一般來說吸附劑對VOCs的吸附能力隨氣體分子量的增加而增加,低分壓的氣體比高分壓氣體更易吸附。

吸附法適用于中低濃度、高通量VOCs的回收,它具有去除效率高、淨化徹底、能耗低、工藝成熟、易于推廣實用等優點,表現出良好的環境和經濟效益。缺點是吸附劑的容量小,需要的吸附劑量大,設備龐大;吸附後的吸附劑不僅需要定期再生處理和更換,而且在此過程中,VOCs有散逸的風險;由于全過程的複雜性,費用相對較高。

活性炭纖維是以有機化合物纖維(如聚丙烯、酚醛樹脂、聚乙烯醇等)爲基本原料經特殊加工制成的。它是一種很細的纖維狀物質,具有巨大的比表面積、外表面積和非常發達的微孔結構,纖維上有很多微孔可以直接與有機物接觸而不是象顆粒活性炭那樣要先通過大孔、過渡孔,才能到達微孔,因此,活性炭纖維更易于吸附低濃度的VOCs。與顆粒活性炭相比,其吸附有機物的能力高出115~210倍,吸附速度也快3倍左右。由于活性炭纖維的吸附能力強,故吸附裝置可以小型化,吸附劑的用量也可以少些,降低處理費用。活性炭纖維VOCs回收裝置以活性炭纖維(ACF)作爲吸收劑,處理各類工廠或設備排放的含有有機溶劑(VOCs)的兴发187老虎机廢氣,將其中的VOCs變成液體進行分離,並進行回收再利用。

3吸收法

吸收法是根據有機物相似相溶的原理,采用低揮發或不揮發溶劑對VOCs進行吸收,再利用VOCs分子和吸收劑物理性質的差異進行分離的一種方法。通常使用的吸收劑是高沸點、低蒸氣壓的油類物質,吸收過程是在裝有填料的吸收塔中完成的,其吸收效果主要取決于吸收劑的吸收性能和吸收設備的結構特征。

該方法適用于大氣量、中等濃度VOCs的處理,可用于回收有用成分,但吸收劑難以選取,吸收的範圍有限,而且吸收後的吸收溶液需進一步處理,有可能造成二次汙染,費用也較高。

4膜分離法

膜分離法是在海水淡化研究中發現的一種新的高效分離方法,它與傳統的冷凝法、吸附法和吸收法相比,具有流程簡單,回收率高,能耗低,無二次汙染等優點,是一種非常有應用前景的分離方法。該方法適用于中高濃度VOCs(含量高于1×10-3)的分離與回收。目前采用膜分離法可以回收脂肪和芳香族碳氫化合物、含氯溶劑、酮、醛、腈、醇、胺、酸等大部分VOCs,且隨著高效分離膜的開發和價格的降低,膜技術的應用會越來越廣泛。

膜分離法是采用對有機化合物具有選擇性滲透的高分子膜,在一定壓力下使VOCs滲透而達到分離的目的。一般采用中空纖維膜或板式膜。圖3爲膜分離流程原理圖,它分3步完成,首先將VOCs和空氣混合物壓縮,再將壓縮的混合氣流輸入冷凝器中冷卻,然後進行膜蒸氣分離。當VOCs氣體進入膜分離系統後,膜選擇性地讓VOCs氣體通過而被富集,脫除了VOCs的氣體留在未滲透側,可以達標排放;富集的VOCs氣體可去冷凝回收系統進行有機溶劑的回收。

VOCs的處理技術

1燃燒法

對于成分複雜、高濃度的VOCs,現在應用較多的方法是燃燒法,它是通過化學反應,將VOCS中的有機物轉變爲C02和H2O。目前實際使用的燃燒方式主要有直接燃燒和催化燃燒,其過程複雜並且可能包括一系列分解、聚合及自由基反應。直接燃燒也稱爲直接火焰燃燒,它是把VOCs中可燃的有機物組分當作燃料在氣流中直接燃燒,溫度一般在1100℃左右。因此,該方法只適用于淨化有機物組分燃燒時熱值較高的VOCs,因爲只有燃燒時放出的熱量能夠補償散向環境中的熱量時,才能保持燃燒區的溫度,維持燃燒的持續。催化燃燒是以Pt、Pd、CuO、Ni0等作爲催化劑,在較低的溫度下(150~600℃)使VOCs中的有機物可燃組分氧化分解成C02和H2O。催化劑的存在使有機物在燃燒時比直接燃燒法需要更少的保留時間和更低的溫度。但由于VOCs中含有較多雜質,很容易引起催化劑中毒,且催化劑常只針對特定類型的化合物,因此催化燃燒的廣泛應用在一定程度上受到了限制,也易造成二次汙染。

燃燒法具有效率高、處理徹底、消除惡臭、汙染小等優點,但由于VOCs燃燒氧化的終産物是C02、H2O等,因而使用這種方法不能回收到有用的物質,且使用催化燃燒時所用催化劑成本很高,費用大大提高。

2低溫等離子體技術

20世紀70年代,人們就開始了低溫等離子體淨化VOCs的研究,目前有些已進入應用階段,但大多數尚處于研究開發階段。多年來的研究結果表明,等離子體淨化技術是一種效率高、能耗低、適用範圍廣的汙染物淨化技術。它是利用高能電子射線激活、電離、裂解VOCs中各組分,從而發生氧化等一系列複雜化學反應,將有害物轉化爲無害物或有用的副産物的一種處理技術。目前應用的主要有電子束輻照和氣體放電2類。

(1)電子束輻照

電子束輻照法處理VOCS的實驗研究始于20世紀90年代,主要集中在危害較嚴重的3大類VOCs:氯代烴、苯系物和多環芳烴類。其降解VOCS的原理是利用電子加速器(圖4)産生高速的電子脈沖,由于電子束具有較高的能量,在其作用下VOCs受到激發,産生原子間鍵的斷裂,形成小碎片基團和原子,電場激發的各種活性粒子與有機物分子和小碎片基團發生一系列的自由基反應,終把有機物降解爲C02、C0和H20,從而達到治理的目的。研究表明,隨著吸收劑量增加,VOCs脫除率提高,VOCs初始濃度增大,脫除率降低,水、氧氣、氯代烴或氨的注入有助于VOCs脫除率的提高。分解過程中無廢液、廢渣産生,而且由于電子和活性粒子與有機物的反應時間短,可以實現大流量連續操作,顯現出良好的技術優勢。

電子束輻照處理低濃度VOCs,具有效率高、能耗低、使用範圍廣、處理量大、操作簡單等優點,是新近發展起來的比較有前途的處理低濃度VOCs的方法之一。這種方法的缺點主要有:對于芳香烴類VOCs,例如某些苯系物和多環芳烴等,處理效果還不是很理想,要達到較高的脫除率需要很高的劑量以及産物中可能仍含有毒有害有機物等。

(2)氣體放電

氣體放電産生等離子體主要分爲以下幾種形式:輝光放電、電暈放電、介質阻擋放電、頻射放電、微波放電,而研究較爲活躍的是脈沖電暈放電産生等離子體。該法的等離子體産生機理與電子束輻照法基本一致,它是在2個不均勻的電極之間疊加一個脈沖電壓,由于脈沖電壓的上升前沿極陡,峰寬較窄(納秒級),在極短的脈沖時間內,在電暈極周圍發生激烈、高頻率的脈沖電暈放電,産生大量的高能電子和O、OH等活性粒子,對有害物質進行氧化、降解,終將其轉化爲無害物。與電子束輻照法相比,該法避免了電子加速器的使用,也無須輻射屏蔽,增強了技術的安全性和實用性。但對脈沖電暈放電法處理VOCs的研究,目前大多停留在實驗室階段,一般的處理試驗裝置和工藝流程如圖5所示

國內外的研究表明,脈沖電暈放電法治理VOCs是一種很有前途的方法,與常規技術相比具有工藝簡單、能耗低、流程短、可操作性好的特點,特別是在節能方面有很大的潛力,應用範圍也比較廣泛,但由于它的反應過程複雜,受到許多外在因素的影響,放電過程中有可能會産生聚合反應,生成聚合物,並會生成少量不完全産物C0等,因此需要進一步研究完善。

3光催化降解技術

近年來,光催化降解技術去除低濃度VOCs已接近商業化使用階段。研究結果表明,許多VOCs均可在常溫常壓下光催化分解,包括脂肪烴、醇、醛、鹵代烴、芳烴及雜原子有機物等,因此,該技術有著較高的開發價值和廣闊的應用,己成爲VOCS處理技術中一個活躍的研究方向。

光催化降解VOCs的基本原理是在特定波長光照射下,光催化劑被活化,使H20生成-OH,然後-OH將VOCs氧化成CO2、H2O和無機物質。由于氣相中具有較高的分子擴散和質量傳遞速率及較易進行的鏈反應,光催化劑對一些氣相反應的光效率接近甚至超過水相反應。日本的田中啓一和山口伸一郎等對利用紫外線光分解氣態有機物作了研究,結果表明,在氣體情況下,有機氯化物和氟氯碳在185nm紫外光照射下,進行氣相光解,2種物質都能在極短的時間內分解,而且有機鹵化物的分解速度大于氟氯碳;三氯乙烯幾秒鍾內即能分解成終産物CO2、Cl2、F2及光氣等;光分解産生的醋酸等中間産物可通過堿液處理或延長滯留時間等手段終去除。

光分解VOCS主要有2種形式:一種是直接光照,在波長合適時,VOCs分解;另一種是催化劑存在下,光照氣態VOCs使之分解。常用的金屬氧化物光催化劑有:Fe203、W03、Cr203、ZnO、ZrO、Ti02等。由于Ti02的化學性質穩定、催化活性高且無毒價廉、貨源充足,成爲目前試驗研究中常用的光催化劑之一。

光催化降解技術主要適用于低濃度(小于1000ppm)、氣量小的VOCs的處理。其優點是反應過程快速高效、能耗低、無二次汙染,但仍存在一些缺陷,如光催化反應量子産率比較低,催化劑對激發源特征波長要求苛刻,且當汙染物濃度高時,需要很大的催化面積而使得其與其他方法相比變得不經濟。

4微生物淨化技術

微生物淨化法是近年來發展起來的分解VOCs的一種方法,該技術已在德國、荷蘭得到規模化應用,有機物去除率大都在90%以上。該方法淨化VOCs過程的實質是附著在濾料介質中的微生物,在適宜的環境條件下,利用VOCs作爲炭源和能源,維持其生命活動,並將有機物轉化爲簡單的無機物(CO2、H2O)或細胞組成物質的過程。微生物淨化法處理VOCs一般要經曆3個步驟:

(1)VOCs同水接觸並溶解于水中(即由氣膜擴散進入液膜);

(2)溶解于液膜中的VOCS在濃度差的推動下進一步擴散到生物膜,進而被其中的微生物捕獲並吸收;

(3)進入微生物體內的VOCs在其自身的代謝過程中作爲能源和營養物質被分解,經生物化學反應終轉化成爲無害的化合物。

根据微生物在VOCs處理过程中存在的形式,可将处理方法分为生物洗涤法(悬浮态)和生物过滤法(固着态)。生物洗涤法即微生物及其营养物配料存在于液相中,气相中的有机物通过与悬浮液接触后转移到液相,从而被微生物降解,其典型形式有鼓泡塔、喷淋塔及穿孔塔等生物洗涤塔。生物过滤法是微生物附着生长于固体介质(填料)表面,VOCs通过由固体介质构成的固定塔层(填料层)时,被吸附、吸收,终被微生物降解。其典型的形式有土壤、堆肥、填料等材料构成的生物过滤塔。生物滴滤塔则同时有悬浮态和固着态的特性。

微生物淨化法一般用于處理低濃度VOCs。其主要優點是流程和設備較簡單,一般不消耗有用原材料,運行能耗和費用較低、安全可靠、較少形成二次汙染。但由于生化反應速率較低,使設備體積較大,且有壓力損失,對溫度和濕度變化敏感。表1表明了以上處理技術的優劣。

總結與展望

隨著工業的飛速發展和城市化進程的加快,公衆對生活環境、工作環境質量的要求越來越高,VOCs由于其高危害性也越來越受到重視,根據其物理和化學性質,選擇不同方法來處理,不僅可以減輕環境汙染,還會取得一定的經濟效益。因此,VOCs的回收與處理技術將日趨活躍,應用前景非常廣闊。

中國對VOCs的治理與管理相對較弱,但隨著大氣汙染的日益嚴重和國家管理力度的加大,對VOCs排放的限制也日益嚴格。環保部在2013年發布《揮發性有機物(VOCs)汙染防治技術政策》,在2014年出版了重點行業VOCs控制技術指南,主要涉及源頭削減技術、工藝過程控制技術、末端治理技術等細分領域。隨著環保法規的逐步健全,建立完善的控制管理辦法,廠家采取相關的控制措施,會有效降低大氣中的VOCs濃度,對提高人們的健康水平有深遠的意義。