UV光催化处理VOCs的技术要点及影响因素

文章导读

▲ 来源：《山东工业技术》  作者：成志明 张海鹰等

对于低浓度大风量的VOCs处理,目前广泛采用了UV光催化处理方法,影响UV光催化效率的主要因素包括光源、催化剂、温湿度和停留时间等,解决UV光催化处理VOCs的关键技术相应地需要从光源的选择,催化剂的优化和设备的空间结构改善等入手,找到UV光催化处理VOCs的技术难点加以突破。对于净化设备的制造也有自动化程度低、检测有缺失、评价不合理等问题需要加以重视。

对于低浓度大风量的VOCs处理，目前采用最多的技术是UV光催化，应用该技术处理废气的设备简单、性价比高、运营和维护成本低，因此它是中小企业废气处理的首选方法。东莞制造业发达，工业企业众多，从东莞本地到珠三角乃至全国范围内的制造企业对工业废气净化器的需求很大。当前工业废气处理设备自动化程度低，工业废气处理设备的废气处理监测也还有漏洞，效果评估都不太理想。为适应国际产业竞争需要，大力发展智能化的挥发性有机废气处理设备，采用新技术，是打破发达国家技术贸易垄断，提升我国废气处理装备和技术核心竞争力的重要基础。为适应国际产业竞争需要，大力发展智能化的挥发性有机废气处理设备，采用新技术，是打破发达国家技术贸易垄断，提升我国废气处理装备和技术核心竞争力的重要保证。

1、UV光催化的技术特点

光解催化净化设备主要由光解技术和催化氧化技术组合而成。催化氧化技术是在设备中添加纳米级活性材料，在紫外光线的作用下，产生更为强烈的催化降解功能。由于作为催化剂的TiO2价格低廉，来源广泛，对紫外光吸收率较高，抗光腐蚀性北学稳定性和催化活性高，且没有毒性，对很多有机物有较强的吸附作用，因而成为各类试验研究中最常用的光催化剂。为了提高催化剂的活性和适应不同类型的废气处理，也经常添加一些贵金属铂、钯、钌和过渡族元素的氧化物以及稀土元素的氧化物等作为催化剂。贵金属催化剂有很高的氧化活性和易回收等优点，但是存在资源稀少、价格昂贵和耐中毒性差等一些缺点，目前是世界各国采用的主要催化剂类型。复合氧化物虽可改善某些光催化性能，但氧化活性仍不及贵金属。大多数挥发性的有机化合物在这种紫外光能和纳米活性催化氧化的共同作用下，能在2-3秒时间内被充分降解，光解催化氧化技术对挥发性有机废气污染物具有较高的去除效率，具有如下特点：

(1)废气净化的彻底性：UV光触媒是分解污染物而不是吸附污染物，发生的是质变而不是量变，对污染物具有不可逆的分解;

(2)废气分解的广泛性：UV光催化氧化几乎对所有的细菌、病毒和有机污染物起到强效分解作用，特别是对人们不易感知的细菌和病毒进行彻底分解;

(3)无二次污染：UV光催化氧化的最终产物是二氧化碳和水，对人体无害，不会产生类似消毒剂对环境产生的二次污染。

对于光催化的核心问题催化剂性能，需要采取一些新的措施，比如制备大孔径、大比表面积、高抗冲击性能且不影响催化活性的催化剂载体，改进废气净化装置的空间结构，拓展TiO2光催化剂薄膜的光照应用范围，进一步提高复合型催化剂性能，重点研制新型催化剂及如何防止催化剂的失活和中毒等。

光催化反应面临的问题主要有催化剂失活、反应动力学常数较小、不可预测的反应机理等，同时湿度能抑制光催化速率，尤其是有机废气浓度较大时，这种影响更为明显，因此限制了光催化技术在处理湿度较大的废气方面的应用。由于纳米材料本身对有机物具有氧化作用，纳米材料与粘结剂的耐光催化性、载体的催化活性包括失活后的再生问题及膜的牢固性仍然是光催化技术的关键技术难题。

2、影响UV光催化处理效果的主要因素

通过一年多的设备改进和实验室试验，我们主要从影响uV光催化治理VOCs效率的几个主要因素uV波长，起始温度，初始浓度，相对湿度，停留时间，反应介质等进行研究，找到最佳反应效率和最低能耗。

(1)废气浓度的影响：UV光催化治理VOCs适合的应用范围主要包括喷涂车间、印刷、电子、制药、食品等行业产生的低浓度有机废气，对于20.200PPM以下的浓度效果较好，随着VOCs浓度增高，降解效率也会随之降低。目前广泛采用的是185nm和254nm两个波段的真空紫外灯，这是由于真空紫外灯发射的紫外线能量强度有限，单位时间内光解能量不足，效率下降。所以单纯的增加灯管的数量是无法解决高浓度有机气体问题，紫外光解技术不适合中高浓度VOCs气体。

(2)相对湿度低的影响：对于一定的湿度条件下，氧气吸收了大部分185nm紫外光，但是随着湿度的进一步增加，一部分是水蒸气与氧气竞争吸收185nm波长的紫外光，水蒸气吸收了更多的185nm紫外光，同时产生更多羟基自由基。水蒸气与活性氧反应生成羟基自由基，羟基自由基的氧化性要强于臭氧和活性氧，从而光解的速度明显加快，促进单位时间内对于废气去除率的增加，试验证明相对湿度在30—65%这个范围，光解效率是上升的，相对湿度超过70%后随之逐渐下降。

(3)风速和绝对湿度差的影响：大量实验证明风速越大，水蒸气进出口的绝对湿度差越小，这也就是说风速越大，羟基自由基产生量的绝对值也会越少。因此在风速小的工况下，羟基自由基对挥发性有机物VOCs的贡献大，风速大的工况下，羟基自由基对有机物降解的作用就会变得十分有限。在设备测试中，风速在低于2m/s的时候，反应效果好，大于6m/s的时候，水蒸气进出口的绝对湿度差非常小，光催化效率极低。在一定的设备空间内，风速同时影响了停留时间，一般停留时间增加，废气的去除效率有明显增高。原因是停留时间增加，185nm紫外光和有机物碰撞次数一定增加。当停留时间达到10s后，延长停留时间，废气的降解效率增加并不明显。所以在低浓度下，延长停留时间并不能等效的增加废气去除效率。

(4)光源的选择和影响：目前，一般选择185rim和254nm两个波段的真空紫外灯，市场上的uV灯管质量良莠不齐，真空紫外设备进口的风速影响了紫外灯的灯管表面温度，灯管表面温度与紫外灯的发光效率有直接关系，灯表温高于某一数值时会直接影响其发光效率。风速增大，臭氧浓度降低，臭氧产生量没有明显变化，说明在3m/s时真空紫外已经被空气中氧气充分吸收，增大空气进气量，灯管自身产生的臭氧量没有明显增加。臭氧与甲苯在自然状态下是不发生化学反应的。臭氧协同真空紫外光对很多有机废气是有降解效果的。254nm的紫外光可以促进臭氧产生氧自由基，从而氧化废气分子，臭氧在真空紫外条件下与空气中的水蒸气可产生羟基自由基，羟基自由基可氧化甲苯等废气。

(5)合理的设备空间布局和结构：对于净化设备的制造也有一些问题要注意，目前UV光催化治理VOCs设备的自动化程度低，基本还没有自动检测和监控功能，所以对产品的整体效果不能够进行有效的效率评估。要合理的处理好催化剂的布置、数量，要准确处理好透光性和气体的流速，要进行合理的能量匹配和结构优化，否则，很多设备的有效去除率是远远不够的。

3、结论

针对影响UV光催化处理效果的主要因素，我们不能盲目夸大UV光催化处理的效果，它只是处理低浓度大风有机废气比较简易低成本的方法，但是非终极手段，合理有效组合吸附技术、微生物等方法，也是一条好的途径。在正确使用uV光催化的处理过程中，几个主要因素都是设备制造商必须综合考，另外在自动化方面、如何智能检测废气浓度的变化以适时调节工业废气净化设备的运行工况，提高净化效率，如何利用正交试验等获得工业废气处理的最佳组合方式，解决一些关键技术问题，如UV光解的催化剂实验和U灯最佳效能分析、低温等离子的电源选择、微生物培育、微纳米气泡发生器研制等，研制出能被市场广泛接受工业废气处理装备和检测方法。