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當前紫外光在VOCs和惡臭消除領域有著廣泛的應用,與UV光相關技術有UV光解氧化技術、光催化技術、臭氧氧化技術,具體如下:
1.??光催化技術
光催化劑是在光的照射下,自身不起變化,卻可以促進化學反應的物質。光催化劑是利用光能轉換成為化學反應所需的能量,來產生催化作用,使周圍之氧氣及水分子激發成極具氧化力的?OH-?及?O2-?自由負離子。幾乎可分解所有對人體和環境有害的有機物質。目前效果較好的是二氧化鈦(TiO2)光催化劑,TiO2光催化劑只能在紫外光照下有效,可見光是無效的。光催化技術的關鍵點是必須有高性能的光催化劑。據我所知光催化的反應效率(速度)相對比較低。玻璃的自清潔就是利用光催化的原理。
2.??臭氧氧化技術
由于在240nm以下紫外光能夠產生臭氧,在此有必要解釋一下臭氧。臭氧(O3)是一個非常強的氧化劑,能在短時間內將空氣中的浮游細菌消滅,分解毒氣、VOCs,去除惡臭。因此臭氧可用于凈化空氣、飲用水,殺菌,處理工業廢物和作為漂白劑。臭氧也能與VOCs反應,將VOCs氧化成無毒無害的CO2和H2O。
3.UV光解技術
UV光解技術作為消除VOCs和惡臭目前比較流行的技術,特別在處理低濃度VOCs方面有很多的應用。在網絡上可以看到許多環保產品宣傳都用UV光解氧化這個名字。然而,從“UV光解”這個名字,讓人的感覺是紫外光來解離有機物直接把VOCs破壞了。實際中應用中,都是采用簡單的185和254nm的紫外燈管。根據前面介紹,我們很容易想到,只要有185nm的紫外線,就會有臭氧產生。臭氧具有非常強的氧化性,它能和所有有機物反應,破壞有機物分子,如果有足夠的臭氧,最終可以將有機物氧化到二氧化碳和水。當然,紫外光也能夠破壞有機物,但是這些有機物碎片能否與氧氣反應不得而知。破壞有機物并不等于把有機物轉換為無害的二氧化碳和水,如果僅僅把大分子打碎變成小分子,那么VOCs依然存在。這些有機物碎片估計不能與氧氣反應,如果能與氧氣反應,那么就不需要光催化技術了。因此,我認為,所謂UV光解(氧化)技術如果沒有光催化劑的配合,其實就是臭氧氧化技術。
對于UV光解技術的脫臭,由于惡臭物質一般含有N和S的有機物,而有機物中的C-N鍵和C-S鍵的鍵能較低,很容易和臭氧也很容易被UV光解離,只要破壞了有機物中的C-N鍵和C-S鍵,那么臭味將大大降低或消失。這也許是我們經常聽到的UV光解對惡臭效果較好的原因。
如果UV光解設備,沒有配備光催化劑,假設只通過臭氧來氧化VOCs。以甲苯為例,假設甲苯濃度為10ppm(41mg/m3),風量為10000?m3/h。通常來說臭氧中只有一個活性氧[O],如果按照如下化學計量反應:
???C7H8(甲苯)?+18O3=7CO2+H2O+8O2
假設臭氧全部利用,不發生逃逸。那么10?ppm甲苯,需要180?ppm的臭氧(O3),即385?mg/m3。
一個做UV光管的老總前幾天告訴我,185?nm的UV光管,每瓦每分鐘產生0.1mg臭氧,也就是每瓦每小時產生6?mg臭氧。即1?m3/h氣體需要配置64W功率的UV光管(假設出生臭氧是線性的)。如果處理1000m3/h,需要64KW的光管,這樣的能量消耗已經非常大了。如果采用電暈放電法臭氧發生器,文獻上查到的數據是1000g臭氧耗能7500W,是1?m3/h需要那么2.9W,1000?m3/h只需要2.9KW。也就是說,如果僅僅利用了UV光的臭氧,那么效率是非常低下的。
假如按照如下化學計量發生反應:
??C7H8(甲苯)?+6O3=7CO2+H2O
那么處理1000m3/h的有機廢氣,前者需要21.3KW(即使這樣實際中也是不可能,后者需要0.97KW。
還有一個可能是,如果有機物的鍵(C-C,C-H鍵)能夠被UV光打斷,是否能直接能與氧氣發生反應生成CO2和H2O。那么,如果這種方式成立的話,就不需要前面所講的光催化劑了,可見被UV打碎的有機分子,是不容易和氧氣反應生成CO2和H2O。即使這個過程成立,那么打碎有機分子也是需要能量的,由于計算難度太,這里無法給出定量的數據了。
由于這個領域的相關科學論文還比較缺少,我認為需要更多的研究來提高該領域的應用水平。本人認為,提高UV光解的效果,將氧氣引入(參與)反應是至關重要的,同時需要光催化劑相配合。如果只是臭氧參與反應,那么用185?nm光產生臭氧是非常不經濟的,應該用最為經濟的電暈放電法臭氧發生器來提供臭氧。此外,如果配合及其他催化劑來活化氧氣分子,讓活化的氧氣分子與解離的有機物反應,擺脫對臭氧的依賴,達到消除VOCs,才是高效低能耗的好方法。
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