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UV光解处理VOCs技术的探讨

北极星VOCs在线  来源:铂锐催化  作者:罗孟飞  2017/9/12 15:16:52  我要投稿  
所属频道: VOCs检测  关键词:UV光解 有机废气 挥发性有机物 

四、紫外光消除VOCs和恶臭

从前面的分析可知,当紫外光照射VOCs时,如果紫外光波长在240nm以上,那么无法激发氧气生成臭氧,但能激发键能较低的C-N和C-S键,也可以使之解离。但是紫外光波长小于240nm时,不但能激发氧气生成臭氧,还能对键能较高的化学键起到激发和解离作用。如果化学键得到激发,那么有机物分子变的更为活泼,使得容易进一步氧化。

当前紫外光在VOCs和恶臭消除领域有着广泛的应用,与UV光相关技术有UV光解氧化技术、光催化技术、臭氧氧化技术,具体如下:

1.光催化技术

光催化剂是在光的照射下,自身不起变化,却可以促进化学反应的物质。光催化剂是利用光能转换成为化学反应所需的能量,来产生催化作用,使周围之氧气及水分子激发成极具氧化力的OH-及O2-自由负离子。几乎可分解所有对人体和环境有害的有机物质。目前效果较好的是二氧化钛(TiO2)光催化剂,TiO2光催化剂只能在紫外光照下有效,可见光是无效的。光催化技术的关键点是必须有高性能的光催化剂。据我所知光催化的反应效率(速度)相对比较低。玻璃的自清洁就是利用光催化的原理。

2.臭氧氧化技术

由于在240nm以下紫外光能够产生臭氧,在此有必要解释一下臭氧。臭氧(O3)是一个非常强的氧化剂,能在短时间内将空气中的浮游细菌消灭,分解毒气、VOCs,去除恶臭。因此臭氧可用于净化空气、饮用水,杀菌,处理工业废物和作为漂白剂。臭氧也能与VOCs反应,将VOCs氧化成无毒无害的CO2和H2O。

3.UV光解技术

UV光解技术作为消除VOCs和恶臭目前比较流行的技术,特别在处理低浓度VOCs方面有很多的应用。在网络上可以看到许多环保产品宣传都用UV光解氧化这个名字。然而,从“UV光解”这个名字,让人的感觉是紫外光来解离有机物直接把VOCs破坏了。实际中应用中,都是采用简单的185和254nm的紫外灯管。根据前面介绍,我们很容易想到,只要有185nm的紫外线,就会有臭氧产生。臭氧具有非常强的氧化性,它能和所有有机物反应,破坏有机物分子,如果有足够的臭氧,最终可以将有机物氧化到二氧化碳和水。当然,紫外光也能够破坏有机物,但是这些有机物碎片能否与氧气反应不得而知。破坏有机物并不等于把有机物转换为无害的二氧化碳和水,如果仅仅把大分子打碎变成小分子,那么VOCs依然存在。这些有机物碎片估计不能与氧气反应,如果能与氧气反应,那么就不需要光催化技术了。因此,我认为,所谓UV光解(氧化)技术如果没有光催化剂的配合,其实就是臭氧氧化技术。

对于UV光解技术的脱臭,由于恶臭物质一般含有N和S的有机物,而有机物中的C-N键和C-S键的键能较低,很容易和臭氧也很容易被UV光解离,只要破坏了有机物中的C-N键和C-S键,那么臭味将大大降低或消失。这也许是我们经常听到的UV光解对恶臭效果较好的原因。

如果UV光解设备,没有配备光催化剂,假设只通过臭氧来氧化VOCs。以甲苯为例,假设甲苯浓度为10ppm(41mg/m3),风量为10000m3/h。通常来说臭氧中只有一个活性氧[O],如果按照如下化学计量反应:

C7H8(甲苯)+18O3=7CO2+H2O+8O2

假设臭氧全部利用,不发生逃逸。那么10ppm甲苯,需要180ppm的臭氧(O3),即385mg/m3。

一个做UV光管的老总前几天告诉我,185nm的UV光管,每瓦每分钟产生0.1mg臭氧,也就是每瓦每小时产生6mg臭氧。即1m3/h气体需要配置64W功率的UV光管(假设出生臭氧是线性的)。如果处理1000m3/h,需要64KW的光管,这样的能量消耗已经非常大了。如果采用电晕放电法臭氧发生器,文献上查到的数据是1000g臭氧耗能7500W,是1m3/h需要那么2.9W,1000m3/h只需要2.9KW。也就是说,如果仅仅利用了UV光的臭氧,那么效率是非常低下的。

假如按照如下化学计量发生反应:

C7H8(甲苯)+6O3=7CO2+H2O

那么处理1000m3/h的有机废气,前者需要21.3KW(即使这样实际中也是不可能,后者需要0.97KW。

还有一个可能是,如果有机物的键(C-C,C-H键)能够被UV光打断,是否能直接能与氧气发生反应生成CO2和H2O。那么,如果这种方式成立的话,就不需要前面所讲的光催化剂了,可见被UV打碎的有机分子,是不容易和氧气反应生成CO2和H2O。即使这个过程成立,那么打碎有机分子也是需要能量的,由于计算难度太,这里无法给出定量的数据了。

由于这个领域的相关科学论文还比较缺少,我认为需要更多的研究来提高该领域的应用水平。本人认为,提高UV光解的效果,将氧气引入(参与)反应是至关重要的,同时需要光催化剂相配合。如果只是臭氧参与反应,那么用185nm光产生臭氧是非常不经济的,应该用最为经济的电晕放电法臭氧发生器来提供臭氧。此外,如果配合及其他催化剂来活化氧气分子,让活化的氧气分子与解离的有机物反应,摆脱对臭氧的依赖,达到消除VOCs,才是高效低能耗的好方法。

原标题:UV光解处理VOCs技术的探讨

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