挥发性有机化合物的污染控制技术

JOURNALOFNANJINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY

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第25卷第3期2003年5月

南京工业大学学报

Vol.25No.3May2003

挥发性有机化合物的污染控制技术

张宇峰，邵春燕，张雪英，饶

群，徐炎华

210009）

（南京工业大学城市建设与安全环境学院，江苏南京

摘要：随着经济的发展，挥发性有机化合物（VOC）的污染已成为危害人体健康的公害。评述了目前VOC的各种

控制技术，并指出了各种方法的适用条件及存在的问题，提出了VOC控制技术的发展方向。关键词：挥发性有机物；大气污染；控制*中图分类号：X131.1

文献标识码：A

文章编号：1671-7643（2003）03-0089-04

挥发性有机化合物（VolatileOrganicCompounds，

是一类重要的空气污染物，通常指沸点50～VOC）

室温下饱和蒸气压超过133.32Pa的有机化260℃、合物，其主要成分为烃类、卤代烃、氮烃、含氧烃、硫烃及低沸点的多环香烃等。油漆、涂料、润滑油等化学制品在表面涂层的广泛应用，工业废物的焚烧，机动车尾气的排放，新型建材、保温材料及室内装潢材料广泛使用，同时化妆品、除臭剂、杀虫剂、除草剂和品种繁多的洗涤剂应用，导致大量的VOC排放到大具有的特殊气味能导致人气中。VOC的成分复杂，

体呈现种种不适应，并具有毒性、刺激性、致癌作用，特别是苯、甲苯及甲醛对人体健康会造成很大的伤

［1］［2］

。Molhave以总挥发性有机化合物来考察多害

中VOC的主要方法，国内外的VOC控制技术主要

有焚烧法、吸附法、冷凝法、电晕法、光催化氧化法、生物法等。

1.1

VOC的控制技术

焚烧法

焚烧法是利用VOC易燃烧性质进行处理的一种方法。VOC气体进入燃烧室后，在足够高温度、过量空气、湍流的条件下，进行完全燃烧，最终分解成CO2和H2O。其反应通式如下：

）O2zCO2+HO422

焚烧的效果主要决定于焚烧的温度、停留时间、（z+CzHy+

废气在炉膛内的湍流程度，通常焚烧VOC需要的温度为815.6℃，使用催化剂可降低温度，下降幅度和催化剂的类别有关；在高温区的停留时间通常为0.75～1.0s。表1列出含不同化合物的VOC在不同停留时间达到99.99%破坏率所需的焚烧温度。因此根据废气的化学组成、体积、温度以及进出口浓度等因素，确定使用不同的焚烧炉。通常采用的焚烧炉有以下5种：直接焚烧炉、对流换热式焚烧炉、催化燃烧焚烧炉、蓄热式焚烧炉、蓄热式催化焚烧炉

［3］等。

种VOC对人体健康的影响，研究结果表明在VOC

的总质量浓度小于0.2mg/m3时，不会对人体健康造成危害；在0.2～3mg/m范围内会产生刺激等不适应症状；在3～25mg/m3范围内会产生头痛及其它症状；而大于25mg/m时对人体的毒性效应明显。Jones研究表明，虽然室内空气中22种VOC的单一质量浓度都低于限制质量浓度，但总质量浓度为0.025mg/m3时，仍会使人造成疲倦、瞌睡与头痛的感觉；当VOC的总质量浓度达到0.188mg/m3时会出现昏眩和昏睡，而浓度超过35mg/m3，则会造成昏迷、抽筋等症状。说明多种VOC混合存在并相互作用于人体，其危害程度大大增加。目前VOC中优先控制的污染物是苯、甲苯和甲醛，同时也需控制VOC的总浓度。研究VOC的控制技术是去除大气

焚烧法适用于成分复杂、高浓度的VOC气体，

具有效率高、处理彻底等优点，在处理石化工艺废气、印刷和油漆生产的废气、木材干馏废气及制药废气等方面具有广阔的应用前景，但若废气含有Cl、

2002-11-08*收稿日期：

作者简介：张宇峰（1970-），男，江苏南京人，博士，讲师，主要从事污染物迁移转化与污染防治研究。

南京工业大学学报第25卷

═══════════════════════════════════════════════════════════════采用焚烧法会产生HCl、S、N等元素，SOx、NOx等有害气体，造成二次污染。

表1

Table1名

称

法和使用溶剂吸收等联合使用，从而降低运行成本。1.4

电晕法

［10］

电晕法处理VOC的原理是通过陡峭、脉冲窄的高压脉电晕，在常温下获得非平衡态VOC离子

去除VOC的燃烧温度

ThecombustiontemperatureforremovingVOC

99.99%破坏率的温度/℃

停留时间（1s）

548.9732.8停留时间（2s）

523.9716.7自燃温度/℃426.7562.2体，即产生大量的高能电子或高能电子激发产生的并且还可以产生臭氧，各种活O、OH、N等活性粒子，

性粒子和臭氧会与VOC发生化学反应，破坏VOC分子中的C—C、C═C或C—H等化学键，由于O、

丙烯腈苯氯苯637.8746.4744.4乙烷515.0742.2720.0甲烷537.2840.6807.8丁酮515.6698.9675.0氯代甲烷632.2869.4823.3甲苯536.1726.7701.7氯乙烯

472.2

743.9

722.2

1.2吸附法

吸附法是处理低浓度VOC的有效方法之一，它是通过吸附剂对VOC进行吸附净化，将净化后的气体排入大气。因此去除率的高低与吸附效果有关，而吸附效果主要取决于吸附剂的性质、VOC的种类、浓度和吸附系统的操作温度、湿度、压力等因素。目前，常用的吸附剂有颗粒活性炭、活性炭纤维、沸石、分子筛、多孔粘土矿石、活性氧化铝、硅胶和高聚物吸附树脂等。由于活性炭的价格低廉，吸附效果

好，因此它是常用的吸附剂［4～6］。BruceHenshelD［7］研究表明活性炭对质量浓度在100mg/m3左右的

VOC有较好的净化效果，

使用周期在1000h以上。Yun

［8］

等对沸石进行改性，发现即使在湿度为90%的环境中，改性后的沸石仍可以有效地吸附VOC气体，去除率可达90%。目前，商业化的活性炭空气净化器的净化层厚度在1.26～7.5cm之间，停留时间在0.025～0.1s。但吸附法存在吸附剂再生、运行费用高及产生二次污染的问题，从而限制吸附法的应用。1.3

冷凝法

冷凝法是用来回收VOC中有价值成分、资源化再利用的处理方法，其基本原理是利用气态污染物在不同温度和压力下的蒸气压不同，通过调节温度和压力使某些有机物过饱和从而发生凝结作用，使该成分得以净化和回收。冷凝法对沸点在60℃以

下的VOC，去除率在80%～90%之间［9］

。在回收含有价值成分的废气时，由于废气中VOC的含量常常处于“爆炸极限”的浓度范围内，因此对运行的设备要求高。在实际应用中，常将该方法与吸附法、焚烧

OH基及臭氧具有强氧化能力，结果使C、H分解氧

化产生CO2和H2O［11，12］

，具体步骤如图1所示。OdaT等

［11］

研究表明采用脉冲放电等离子体反应器对大气中氟利昂的分解率为70%，而使用高频波的沿

面放电型和无声放电型反应器连续处理则分解率可高达90%。同时还发现分解1mol的低体积分数三氯乙烯所需能量为2×107～3×107J，使1g的污染空气无害化约需86J的放电能量，而分解同样体积的氟利昂则需10

倍于三氯乙烯的能量。

图1电晕法处理VOC的步骤

Fig.1

Theprocessofcoronadischargecontrolling

1988年以来美国国家环保局进行了多次VOC

和有毒气体的电晕破坏的研究，并模拟表面反应器进行分子形式的电晕破坏研究，研究结果表明电晕法可以有效地去除VOC和其它有害气体，是一种处理低浓度污染物的低成本控制技术。由于反应器长时间操作的稳定性和催化效率低等方面原因，该方法目前还未能实用化和商业化。1.5

光催化氧化法

光催化氧化法主要是利用催化剂（如TiO2）的光催化性，氧化吸附在催化剂表面的VOC，最终产生

CO2和H2O，

其反应机理如下：当用光照射半导体光催化剂时，根据半导体的电子结构特点，当其吸收一

第3期张宇峰等：挥发性有机化合物的污染控制技术

═══════════════════════════════════════════════════════════════个能量大于或等于其带隙能（Eg）的光子时，电子会从充满的价带跃迁到空的导带，而在价带留（e-）

下带正电的空穴（h+）。光致空穴具有很强的氧化性，可夺取半导体颗粒表面吸附的有机物或溶剂中的电子，使原本不吸收光而无法被光子直接氧化的物质，通过光催化剂被活化氧化。光致电子还具有很强的还原性，使得半导体表面的电子受体被还原。

［13］［14］

和JaegerC研究表明水溶液中光CunninghamJ

催化氧化反应主要是通过羟基自由基反应进行的，

入湿度控制器进行加湿处理，经加湿后的废气通过生物滤床的布气板，沿滤料均匀向上移动，在停留时间内，气相物质通过平流效应、扩散效应、吸附等综合作用，进入包围在滤料表面的活性生物层，与生物层内的微生物（主要为细菌）发生好氧反应，进行生

［22～24］

物降解，最终生成CO2和H2O。

反应式如下：

h++OH-・

OHh++H2O

→

・OH+H+h++RedRed*

（Red代表还原物质）VOC光催化降解的速率主要受吸附效率和光催化反应速率的影响，具有较高吸附性能的VOC不一定有较快的降解速率，因此选择光催化剂至关重要。常见的光催化剂主要是金属氧化物和金属硫化物，如TiO2、ZnO、Fe2O3、WO3、ZnS、CdS和PbS

等［15，16］。由于TiO2有较高的化学稳定性和催化活

性，且价廉无毒，所以TiO2是目前最常用的光催化

剂之一［17］

。目前对光催化氧化VOC的产物一直存在争论，Dibble

［18］

用溶胶-凝胶法将TiO2固定在硅胶上，比例为0.63（gTiO2）/（g硅胶），得到BET表面积为70m2/g的催化剂，反应速率可达1g催化剂

0.8×10-6mol・min-1

（三

氯乙烯），降解效率大于99%，

利用化学光能技术测定的量子效率为2%～3%。因此，

他认为采用光催化氧化法可以完全降解VOC，

而Timothy［19］

则认为在实际应用中VOC的光催化氧化反应会产生醛酮、酸和酯等中间产物，造成

二次污染。TorimotoT等［20］

采用凝胶技术将TiO2固定在玻璃小球上，所得催化剂的表面积可达160～

194m2/g，

孔隙率为50%～60%，在紫外光照射8min后即达到稳定状态，三氯乙烯的转化率可达

99.3%。另据文献

［21］

表明对于大部分VOC，光催化氧化法能将其较为彻底无机化，副产物少，但是光催

化氧化法存在着催化剂的失活、催化剂难以固定，且催化剂固定化后催化效率降低的缺点，因此该技术目前尚未商业化。1.6

生物法

生物法处理废气最早应用于脱臭，近年来逐渐发展成为VOC的新型污染控制技术。生物法工艺流程见图2。它的流程是：含有VOC的废气首先进

图2

生物法工艺流程图

Fig.2

Sketchofabio-filtrationsystem

生物法具有设备简单，运行维护费用低，无二次污染等优点，对处理低浓度，易降解的VOC具有广

阔的应用前景［25～27］

。但此方法对成分复杂的废气或难以降解的VOC，

去除效果较差。2结语

由于VOC的成分复杂，各种污染物的特性不

同，因此任何单一的VOC控制方法均受其去除性能、投资运行费用和适用范围的影响。治理VOC还需优化各种控制技术和开发不同控制方法的组合技术，以达到提高去除率、降低成本和减少二次污染的目的，这是目前去除VOC的主要发展方向。另外，改进工艺，减少工业生产中的VOC排放，生产环保型产品，也是目前重要的研究方向。参考文献：

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ZHANGYu-feng，SHAOChun-yan，ZHANGXue-ying，RAOQun，XUYan-hua

（CollegeofUrbanConstructionandSafety&EnvironmentalEngineering，NanjingUniversityofTechnology，Nanjing210009，China）

（VOC）isthesocialeffectsofpollutionthatisharmtohumanAbstract：Thepollutionofvolatileorganiccompounds

healthastheeconomydeveloped.Inthepaper，thetreatmentofvolatileorganiccompoundsweresketched.Theapplica-tionconditionandexistentproblemsofthemethodswereevaluatedrespectivelyandthefuturedevelopmentofVOCtreat-mentwereputforward.

Keywords：volatileorganiccompounds；airpollution；control