敘述了低溫等離子體、光催化和生物處理三種新技術(shù)的廢氣凈化原理和國內(nèi)外研究進(jìn)展情況,并對其發(fā)展前景和研究方向進(jìn)行了探討。這些新技術(shù)不但可有效解決以往的技術(shù)難題,而且具有投資少、運行費用低、停留時間短、高效、穩(wěn)定、反應(yīng)徹底且無二次污染等,克服了傳統(tǒng)方法中的許多缺陷,將在低濃度VOCs廢氣治理方面發(fā)揮重要的作用。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高,空氣中的揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)污染問題日益受到人們的重視。VOCs是指空氣中存在的室溫下蒸氣壓大于70.9lPa,沸點260℃以下的揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì),被視為列為粉塵之后的第二大類空氣污染物。1990年美國《清潔空氣法》修正案列舉了189種有毒有害物質(zhì),其中大部分是VOCs。1993～2003年我國相繼頒發(fā)了《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》、《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》和《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,因此,開發(fā)適用的VOCs治理技術(shù)已刻不容緩。由于廢氣中VOCs污染物往往濃度低(<3000mg/m3),氣量大、污染面廣,如熱力焚燒、催化燃燒、冷凝、吸收和吸附等傳統(tǒng)的處理技術(shù)往往不適用,不是其處理效果達(dá)不到要求,就是投資或運行成本太高,迫使人們尋求和開發(fā)新的適用技術(shù)。

近年來,低溫等離子體、光催化氧化和生物處理等新技術(shù)在處理低濃度VOCs廢氣方面已顯示出其技術(shù)優(yōu)勢和很好的市場前景,本文將介紹這些新技術(shù)。


1低溫等離子體技術(shù)


1.1原理


等離子體是含有大量電子、離子、分子、中性原子、激發(fā)態(tài)原子、光子和自由基等組成的物質(zhì)的第四種形態(tài)。其總正負(fù)電荷數(shù)相等宏觀上呈電中性,但具有導(dǎo)電和受電磁影響的性質(zhì),表現(xiàn)出很高的化學(xué)活性。根據(jù)體系能量狀態(tài)、溫度和離子密度,等離子體通常可分為高溫等離子體和低溫等離子體(包括熱等離子體和冷等離子體)。高溫等離子體的電離度接近,各種粒子的溫度幾乎相同,并且體系處于熱力學(xué)平衡狀態(tài),它主要應(yīng)用于受控?zé)岷朔磻?yīng)研究方面。低溫等離子體則處于熱力學(xué)非平衡狀態(tài),各種粒子溫度并不相同。


低溫等離子體可通過前沿陡、脈寬窄(納秒級)的高壓脈沖放電在常溫常壓下獲得,其中的高能電子和O˙、OH˙等活性粒子可與各種污染物如CO、HC、NOX、SOX、H2S、RSH等發(fā)生作用,轉(zhuǎn)化為CO2、H2O、N2、S、SO2等無害或低害物質(zhì),從而使廢氣得到凈化。它可促使一些在通常條件下不易進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)得以進(jìn)行,甚至在極短時間內(nèi)完成,故屬低濃度VOCs治理的前沿技術(shù)。


1.2研究進(jìn)展


低溫等離子體主要是由氣體放電產(chǎn)生的,與現(xiàn)代工業(yè)關(guān)系密切,應(yīng)用十分廣泛。按放電方式可分為輝光放電、電暈放電、介質(zhì)阻擋放電、射頻放電及微波放電等。脈沖電暈是一種新型等離子體技術(shù),屬于冷等離子體,可在常壓、低溫下工作且電子能量適中,因此通常被用于處理VOCs等有害氣體。在20世紀(jì)80年代中期由Masuda和Mizuno等首先提出,目前在中國、日本、俄羅斯和加拿大等國家都有研究大氣污染物(HAP)在低溫等離子體化學(xué)處理中金屬氧化物的催化活性進(jìn)行了研究,在沒有MnO2作催化劑時,苯的摩爾轉(zhuǎn)化率為30%,而在有MnO2作催化劑時,苯的轉(zhuǎn)化率可高達(dá)94%。KangM等[4]在常壓下用等離子體TiO2催化體系去除初始濃度為1000mg/m3的甲苯廢氣,僅有O2等離子體沒有TiO2催化劑時,甲苯去除率為40%;在TiO2/O2等離子體下,去除率達(dá)到70%;在O2等離子體中,TiO2負(fù)載于γ-Al2O3上時,甲苯的去除率達(dá)到80%。這些研究表明,利用等離子體與催化反應(yīng)的協(xié)同效應(yīng),以提高有機(jī)廢氣凈化率、降低能耗是成功的。近些年,國內(nèi)學(xué)者對低溫等離子體的研究也在深入。于勇等[5]用介質(zhì)屏蔽降解CF3Br,降解率達(dá)到55%。李鍛等[6]將雙極性脈沖高壓引入介質(zhì)阻擋反應(yīng)器對氯苯和甲苯的分解特性進(jìn)行了實驗研究。而以馮春楊[7]、晏乃強(qiáng)[8]和黃立維[9]等人開展了脈沖電暈去除多種有機(jī)廢氣的研究,初始濃度為76.8mg/m3,苯的去除率達(dá)到61.4%,并對比了線—筒式和線—板式二種反應(yīng)器對甲苯的去除率,在以Mn、Fe等作為催化劑時,可使去除率提高,催化劑活性的排序為Mn>Fe>Co>Ti>Ni>Pd>Cu>V,在去除各種有機(jī)廢氣中,甲醛最易去除,二氯甲烷最難,甲苯、乙醇、丙酮則處于其間。周遠(yuǎn)翔[10]等還應(yīng)用低溫等離子體技術(shù)處理粉塵中二英,去除率達(dá)81%。因此,低溫等離子體技術(shù)應(yīng)用的可行性和條件試驗已較充分,也有了大量理論基礎(chǔ);已為這項工藝簡單、適用性強(qiáng)、流程短、能耗低、易于操作和自動化的新技術(shù)早日工業(yè)化打下了充分的基礎(chǔ)。