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有機(jī)揮發(fā)性廢氣處理中光催化氧化法的應(yīng)用研究

王經(jīng)理  153-2653-6563   0311-68123478
在有機(jī)揮發(fā)性廢氣處理上，光催化氧化法能耗小，效益高，且不會產(chǎn)生二次污染，是一種處理有機(jī)揮發(fā)性廢氣的較為優(yōu)異的方法。

1 有機(jī)揮發(fā)性廢氣處理及其特征

有機(jī)揮發(fā)性廢氣處理是針對工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的有機(jī)揮發(fā)性氣體進(jìn)行的過濾、吸附、凈化等處理，使其轉(zhuǎn)變?yōu)闊o毒、無害無機(jī)小分子的過程。目前，在化工工業(yè)上，有機(jī)揮發(fā)性廢氣主要有甲醛、苯系物、甲醛丁醛、乙酸乙酯、糠醛、苯乙烯、油霧、漆霧、天那水、丙烯酸、樹脂等。有機(jī)揮發(fā)性廢氣通常具有有毒有害、易燃易爆、易溶于有機(jī)溶劑、難溶于水、處理難度較大等特征。

2 光催化氧化法

光催化氧化法是一種新型處理有機(jī)揮發(fā)性廢氣的方法，該方法主要通過 UV 紫外光對光催化劑進(jìn)行照射，使之產(chǎn)生高能電荷-電子空穴對，并在空氣中的水、氧等物質(zhì)的參與下，使附著于催化劑表面的有機(jī)揮發(fā)性氣體轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸肌⑺约捌渌麩o機(jī)小分子物質(zhì)的過程。具體反應(yīng)過程如下（以 TiO₂ 為例）

1 ：

Hv+ TiO₂ →h + +e ^-       O _2ads +T i ³⁺ →O _2ads - +T i ⁴⁺

OH ^- +h ⁺ →OH           O _2ads →2O _ads

T i ⁴⁺ +e ^- →T i ³⁺         O _2ads +T i ³⁺ →O _ads - +T i ⁴⁺

在紫外光的作用下，TiO₂ 能夠?qū)⑼轭悺⑾╊悺⒋碱悺⑼悺⑷╊悺Ⅺu代烯烴、芳香烴以及惡臭物質(zhì)等有機(jī)氣相物質(zhì)氧化，其光利用率高，反應(yīng)速度快。研究發(fā)現(xiàn)對于三氯乙烯，TiO₂的氣相光催化氧化量子效率約為其液相光催化氧化量子效率的50-80 倍。

3 有機(jī)揮發(fā)性廢氣處理中光催化氧化法的應(yīng)用

3.1 有機(jī)揮發(fā)性廢氣的凈化

有機(jī)揮發(fā)性廢氣中存在的酸性氣體不但影響光催化氧化效率，同時還會影響設(shè)備的使用壽命，為此必須對有機(jī)揮發(fā)性廢氣進(jìn)行預(yù)處理，將酸性氣體除掉后在輸入到凈化設(shè)備中。由于酸性氣體多易溶于水，為此預(yù)處理工藝以水洗裝置進(jìn)行。其具體工藝為：

廢氣收集→水洗裝置→光解-催化有機(jī)廢氣凈化設(shè)備→達(dá)標(biāo)排放。

3.2 有機(jī)揮發(fā)性廢氣的光催化氧化

在光解催化凈化設(shè)備中對有機(jī)揮發(fā)性廢氣主要進(jìn)行光解與催化氧化。光解主要是通過高能 UV 紫外線對空氣中的氧氣產(chǎn)生分解作用，促進(jìn)氧分子分解成為游離態(tài)的氧，由于游離態(tài)氧上的正負(fù)電子處于不平衡狀態(tài)，因此游離態(tài)氧極易與氧分子結(jié)合生成臭氧（O₃），其過程為：

O ₂ +UV→O（游離態(tài)）+O -      O₂ +O（游離態(tài)）→O₃

而臭氧的強(qiáng)氧化作用能夠促進(jìn)有機(jī)揮發(fā)性廢氣的分解。在 UV高效設(shè)備內(nèi)安裝著紫外線放電管，紫外線放電管產(chǎn)生的光子能量可以高達(dá) 647KJ/mol、742KJ/mol，如此高的光子能能夠迅速裂解小于該能量的有機(jī)揮發(fā)性廢氣的分子鍵，使其轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機(jī)小分子物質(zhì)。常見分子鍵結(jié)合能量如表 1。

表 1 常見分子鍵結(jié)合能量表

分子鍵   結(jié)合能（KJ/mol）   分子鍵   結(jié)合能（KJ/mol）

H-C          348             C-O        326

H-H          436             C=C        611

C-H          414             C=O        728

例如，在高能紫外線作用下，分子鍵結(jié)合能為 150KJ/mol 的苯分子中的苯環(huán)很容易就被打開，形成離子狀態(tài)的 H-H + 與 C-C + ，H-H +與 C-C + 非常容易被 O₃ 氧化，最終生成 H₂O 與 CO₂ 。其他分子鍵結(jié)合能較低的有機(jī)揮發(fā)性廢氣在同樣的機(jī)制下均能夠被分解氧化。其具體分子間鍵結(jié)合能及生成物如表 2。

表 2 有機(jī)揮發(fā)性廢氣分子間鍵結(jié)合能及生成物表

化學(xué)物質(zhì)            分子鍵               結(jié)合能                 最終產(chǎn)物

苯             C-H、C=C              414、611

二甲苯        C-H、C=C、C-C          414、611、332

甲苯         C-H、C=C、C-C          414、611、332

甲醇         C-O、H-O、C-H、        326、464、414

乙酸乙酯     C-O、C=O、C-H、C-C     326、728、414、332         H₂O、CO₂

苯乙烯        C-H、C=C、C-C          414、611、332

乙醇         C-H、C-C、C-O          414、464、326

丙烯醛        C-H、C=C、C-O          414、611、326

乙醛         C-H、C=C、C-O          414、611、326

在光解催化凈化設(shè)備中添加納米級別的活性材料，將活性材料給予紫外線照射，活性材料能夠吸收大量的光能，于表面發(fā)生激勵進(jìn)而生成 h ⁺ （空穴）與 e^- （電子），而空穴與電子所具有的氧化還原能力，可與氧、水發(fā)生反應(yīng)，迅速生成具有極強(qiáng)氧化能力的·OH（羥基自由基）與·O ^2- （超級陰氧離子）。·OH 氧化電位相當(dāng)高，可以氧化有機(jī)揮發(fā)性廢氣中的電子，促進(jìn)無光吸收能力物質(zhì)的氧化分解。研究發(fā)現(xiàn)，在紫外光的能量以及納米活性催化氧化作用下，有機(jī)揮發(fā)性廢氣在短短 2-3 秒的時間內(nèi)就能夠被充分分解。

4 結(jié)束語

總之，作為一種解決污染的新型方法，光催化氧化法不但能夠去除活性炭難以吸附的有機(jī)揮發(fā)性廢氣，將其轉(zhuǎn)變?yōu)闊o毒無害的有機(jī)小分子物質(zhì)，而且不需更換其他吸附劑。將光催化氧化法應(yīng)用于對有機(jī)揮發(fā)性廢氣，對于保護(hù)自然環(huán)境，促進(jìn)人類可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義。