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有機揮發性廢氣處理中光催化氧化法的應用研究

王經理  153-2653-6563   0311-68123478
在有機揮發性廢氣處理上，光催化氧化法能耗小，效益高，且不會產生二次污染，是一種處理有機揮發性廢氣的較為優異的方法。

1 有機揮發性廢氣處理及其特征

有機揮發性廢氣處理是針對工業生產中產生的有機揮發性氣體進行的過濾、吸附、凈化等處理，使其轉變為無毒、無害無機小分子的過程。目前，在化工工業上，有機揮發性廢氣主要有甲醛、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。有機揮發性廢氣通常具有有毒有害、易燃易爆、易溶于有機溶劑、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揮發性廢氣的方法，該方法主要通過 UV 紫外光對光催化劑進行照射，使之產生高能電荷-電子空穴對，并在空氣中的水、氧等物質的參與下，使附著于催化劑表面的有機揮發性氣體轉變為二氧化碳、水以及其他無機小分子物質的過程。具體反應過程如下（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 能夠將烷類、烯類、醇類、酮類、醛類、鹵代烯烴、芳香烴以及惡臭物質等有機氣相物質氧化，其光利用率高，反應速度快。研究發現對于三氯乙烯，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 有機揮發性廢氣處理中光催化氧化法的應用

3.1 有機揮發性廢氣的凈化

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

廢氣收集→水洗裝置→光解-催化有機廢氣凈化設備→達標排放。

3.2 有機揮發性廢氣的光催化氧化

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

O ₂ +UV→O（游離態）+O -      O₂ +O（游離態）→O₃

而臭氧的強氧化作用能夠促進有機揮發性廢氣的分解。在 UV高效設備內安裝著紫外線放電管，紫外線放電管產生的光子能量可以高達 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揮發性廢氣的分子鍵，使其轉變為無機小分子物質。常見分子鍵結合能量如表 1。

表 1 常見分子鍵結合能量表

分子鍵   結合能（KJ/mol）   分子鍵   結合能（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，分子鍵結合能為 150KJ/mol 的苯分子中的苯環很容易就被打開，形成離子狀態的 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 。其他分子鍵結合能較低的有機揮發性廢氣在同樣的機制下均能夠被分解氧化。其具體分子間鍵結合能及生成物如表 2。

表 2 有機揮發性廢氣分子間鍵結合能及生成物表

化學物質            分子鍵               結合能                 最終產物

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，于表面發生激勵進而生成 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、水發生反應，迅速生成具有極強氧化能力的·OH（羥基自由基）與·O ^2- （超級陰氧離子）。·OH 氧化電位相當高，可以氧化有機揮發性廢氣中的電子，促進無光吸收能力物質的氧化分解。研究發現，在紫外光的能量以及納米活性催化氧化作用下，有機揮發性廢氣在短短 2-3 秒的時間內就能夠被充分分解。

4 結束語

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揮發性廢氣，將其轉變為無毒無害的有機小分子物質，而且不需更換其他吸附劑。將光催化氧化法應用于對有機揮發性廢氣，對于保護自然環境，促進人類可持續發展具有十分重要的現實意義。