VOCs的回收及处理技术大盘点

目前，VOCs对环境和人体造成了很大的危害，如何妥善回收与处理VOCs已成为人们研究的焦点问题之一。

VOCs的回收技术

VOCs回收技术主要有冷凝法、吸附法、吸收法和膜分离法。根据VOCs的物理和化学性质，选择不同的回收方法或几种方法的组合来回收VOCs中的有机化合物，不仅可以减轻环境污染，还会取得一定的经济效益。

1冷凝法

冷凝法是最简单的回收VOCs的方法，它是利用物质在不同温度下具有不同饱和蒸气压这一性质，将VOCs通过冷凝器降低到有机物的沸点以下，使有机物冷凝成液滴，再靠重力作用落到凝结区下部的贮罐中，从而分离出来，装置如图1。通常使用的冷却介质主要有冷水、冷冻盐水和液氨。该技术对于高浓度(百分之几)、较高沸点、须回收的VOCs具有较好的经济效益。

该方法所需设备和操作条件都比较简单，所回收的VOCs的纯度比较高，其回收率与VOCs初始浓度、沸点有关，VOCs的初始浓度越大、沸点越高，回收率越高，但要获得较高的回收率需采用较低温度的冷凝介质或采用较高的压力。所以在实际应用中，冷凝法常与压缩、吸附、吸收等过程联合使用，以吸收或吸附手段浓缩VOCs、以冷凝法回收该有机物，达到经济且回收率较高的目的。图2为冷凝法与吸附法联合回收VOCs工艺流程图。

2吸附法

吸附法已广泛应用于净化室内空气、大气污染治理、石油化工等领域VOCs的回收处理。它分为固定床吸附法、流动床吸附法和浓缩轮吸附法。其原理是利用具有密集的细孔结构、内表面积比较大的粒状活性炭、炭纤维、硅胶、人工沸石等吸附剂的多孔结构，将VOCs组分吸附在固体表面，利用吸附剂不断吸附、脱附的循环，达到净化回收目的。研究表明，活性炭吸附VOCs性能最佳。吸附剂吸附VOCs的效果除与吸附剂本身性质有关外还与VOCs的种类、浓度、性质以及吸附系统的温度、压力有关，一般来说吸附剂对VOCs的吸附能力随气体分子量的增加而增加，低分压的气体比高分压气体更易吸附。

吸附法适用于中低浓度、高通量VOCs的回收，它具有去除效率高、净化彻底、能耗低、工艺成熟、易于推广实用等优点，表现出良好的环境和经济效益。缺点是吸附剂的容量小，需要的吸附剂量大，设备庞大；吸附后的吸附剂不仅需要定期再生处理和更换，而且在此过程中，VOCs有散逸的风险；由于全过程的复杂性，费用相对较高。

活性炭纤维是以有机化合物纤维(如聚丙烯、酚醛树脂、聚乙烯醇等)为基本原料经特殊加工制成的。它是一种很细的纤维状物质,具有巨大的比表面积、外表面积和非常发达的微孔结构,纤维上有很多微孔可以直接与有机物接触而不是象颗粒活性炭那样要先通过大孔、过渡孔,才能到达微孔,因此,活性炭纤维更易于吸附低浓度的VOCs。与颗粒活性炭相比,其吸附有机物的能力高出115～210倍,吸附速度也快3倍左右。由于活性炭纤维的吸附能力强,故吸附装置可以小型化,吸附剂的用量也可以少些,降低处理费用。活性炭纤维VOCs回收装置以活性炭纤维（ACF）作为吸收剂，处理各类工厂或设备排放的含有有机溶剂(VOCs）的废气，将其中的VOCs变成液体进行分离，并进行回收再利用。

3吸收法

吸收法是根据有机物相似相溶的原理，采用低挥发或不挥发溶剂对VOCs进行吸收，再利用VOCs分子和吸收剂物理性质的差异进行分离的一种方法。通常使用的吸收剂是高沸点、低蒸气压的油类物质，吸收过程是在装有填料的吸收塔中完成的，其吸收效果主要取决于吸收剂的吸收性能和吸收设备的结构特征。

该方法适用于大气量、中等浓度VOCs的处理，可用于回收有用成分，但吸收剂难以选取，吸收的范围有限，而且吸收后的吸收溶液需进一步处理，有可能造成二次污染，费用也较高。

4膜分离法

膜分离法是在海水淡化研究中发现的一种新的高效分离方法，它与传统的冷凝法、吸附法和吸收法相比，具有流程简单，回收率高，能耗低，无二次污染等优点，是一种非常有应用前景的分离方法。该方法适用于中高浓度VOCs(含量高于1×10-3)的分离与回收。目前采用膜分离法可以回收脂肪和芳香族碳氢化合物、含氯溶剂、酮、醛、腈、醇、胺、酸等大部分VOCs，且随着高效分离膜的开发和价格的降低，膜技术的应用会越来越广泛。

膜分离法是采用对有机化合物具有选择性渗透的高分子膜，在一定压力下使VOCs渗透而达到分离的目的。一般采用中空纤维膜或板式膜。图3为膜分离流程原理图，它分3步完成，首先将VOCs和空气混合物压缩，再将压缩的混合气流输入冷凝器中冷却，然后进行膜蒸气分离。当VOCs气体进入膜分离系统后，膜选择性地让VOCs气体通过而被富集，脱除了VOCs的气体留在未渗透侧，可以达标排放；富集的VOCs气体可去冷凝回收系统进行有机溶剂的回收。

VOCs的处理技术

1燃烧法

对于成分复杂、高浓度的VOCs，现在应用较多的方法是燃烧法，它是通过化学反应，将VOCS中的有机物转变为C02和H2O。目前实际使用的燃烧方式主要有直接燃烧和催化燃烧，其过程复杂并且可能包括一系列分解、聚合及自由基反应。直接燃烧也称为直接火焰燃烧，它是把VOCs中可燃的有机物组分当作燃料在气流中直接燃烧，温度一般在1100℃左右。因此，该方法只适用于净化有机物组分燃烧时热值较高的VOCs，因为只有燃烧时放出的热量能够补偿散向环境中的热量时，才能保持燃烧区的温度，维持燃烧的持续。催化燃烧是以Pt、Pd、CuO、Ni0等作为催化剂，在较低的温度下(150～600℃)使VOCs中的有机物可燃组分氧化分解成C02和H2O。催化剂的存在使有机物在燃烧时比直接燃烧法需要更少的保留时间和更低的温度。但由于VOCs中含有较多杂质，很容易引起催化剂中毒，且催化剂常只针对特定类型的化合物，因此催化燃烧的广泛应用在一定程度上受到了限制，也易造成二次污染。

燃烧法具有效率高、处理彻底、消除恶臭、污染小等优点，但由于VOCs燃烧氧化的最终产物是C02、H2O等，因而使用这种方法不能回收到有用的物质，且使用催化燃烧时所用催化剂成本很高，费用大大提高。

2低温等离子体技术

20世纪70年代，人们就开始了低温等离子体净化VOCs的研究，目前有些已进入应用阶段，但大多数尚处于研究开发阶段。多年来的研究结果表明，等离子体净化技术是一种效率高、能耗低、适用范围广的污染物净化技术。它是利用高能电子射线激活、电离、裂解VOCs中各组分，从而发生氧化等一系列复杂化学反应，将有害物转化为无害物或有用的副产物的一种处理技术。目前应用的主要有电子束辐照和气体放电2类。

(1)电子束辐照

电子束辐照法处理VOCS的实验研究始于20世纪90年代，主要集中在危害较严重的3大类VOCs：氯代烃、苯系物和多环芳烃类。其降解VOCS的原理是利用电子加速器(图4)产生高速的电子脉冲，由于电子束具有较高的能量，在其作用下VOCs受到激发，产生原子间键的断裂，形成小碎片基团和原子，电场激发的各种活性粒子与有机物分子和小碎片基团发生一系列的自由基反应，最终把有机物降解为C02、C0和H20，从而达到治理的目的。研究表明，随着吸收剂量增加，VOCs脱除率提高，VOCs初始浓度增大，脱除率降低，水、氧气、氯代烃或氨的注入有助于VOCs脱除率的提高。分解过程中无废液、废渣产生，而且由于电子和活性粒子与有机物的反应时间短，可以实现大流量连续操作，显现出良好的技术优势。

电子束辐照处理低浓度VOCs，具有效率高、能耗低、使用范围广、处理量大、操作简单等优点，是新近发展起来的比较有前途的处理低浓度VOCs的方法之一。这种方法的缺点主要有：对于芳香烃类VOCs，例如某些苯系物和多环芳烃等，处理效果还不是很理想，要达到较高的脱除率需要很高的剂量以及产物中可能仍含有毒有害有机物等。

(2)气体放电

气体放电产生等离子体主要分为以下几种形式：辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电、频射放电、微波放电，而研究较为活跃的是脉冲电晕放电产生等离子体。该法的等离子体产生机理与电子束辐照法基本一致，它是在2个不均匀的电极之间叠加一个脉冲电压，由于脉冲电压的上升前沿极陡，峰宽较窄(纳秒级)，在极短的脉冲时间内，在电晕极周围发生激烈、高频率的脉冲电晕放电，产生大量的高能电子和O、OH等活性粒子，对有害物质进行氧化、降解，最终将其转化为无害物。与电子束辐照法相比，该法避免了电子加速器的使用，也无须辐射屏蔽，增强了技术的安全性和实用性。但对脉冲电晕放电法处理VOCs的研究，目前大多停留在实验室阶段，一般的处理试验装置和工艺流程如图5所示

国内外的研究表明，脉冲电晕放电法治理VOCs是一种很有前途的方法，与常规技术相比具有工艺简单、能耗低、流程短、可操作性好的特点，特别是在节能方面有很大的潜力，应用范围也比较广泛，但由于它的反应过程复杂，受到许多外在因素的影响，放电过程中有可能会产生聚合反应，生成聚合物，并会生成少量不完全产物C0等，因此需要进一步研究完善。

3光催化降解技术

近年来，光催化降解技术去除低浓度VOCs已接近商业化使用阶段。研究结果表明，许多VOCs均可在常温常压下光催化分解，包括脂肪烃、醇、醛、卤代烃、芳烃及杂原子有机物等，因此，该技术有着较高的开发价值和广阔的应用，己成为VOCS处理技术中一个活跃的研究方向。

光催化降解VOCs的基本原理是在特定波长光照射下，光催化剂被活化，使H20生成-OH，然后-OH将VOCs氧化成CO2、H2O和无机物质。由于气相中具有较高的分子扩散和质量传递速率及较易进行的链反应，光催化剂对一些气相反应的光效率接近甚至超过水相反应。日本的田中启一和山口伸一郎等对利用紫外线光分解气态有机物作了研究，结果表明，在气体情况下，有机氯化物和氟氯碳在185nm紫外光照射下，进行气相光解，2种物质都能在极短的时间内分解，而且有机卤化物的分解速度大于氟氯碳；三氯乙烯几秒钟内即能分解成最终产物CO2、Cl2、F2及光气等；光分解产生的醋酸等中间产物可通过碱液处理或延长滞留时间等手段最终去除。

光分解VOCS主要有2种形式：一种是直接光照，在波长合适时，VOCs分解；另一种是催化剂存在下，光照气态VOCs使之分解。常用的金属氧化物光催化剂有：Fe203、W03、Cr203、ZnO、ZrO、Ti02等。由于Ti02的化学性质稳定、催化活性高且无毒价廉、货源充足，成为目前试验研究中最常用的光催化剂之一。

光催化降解技术主要适用于低浓度(小于1000ppm)、气量小的VOCs的处理。其优点是反应过程快速高效、能耗低、无二次污染，但仍存在一些缺陷，如光催化反应量子产率比较低，催化剂对激发源特征波长要求苛刻，且当污染物浓度高时，需要很大的催化面积而使得其与其他方法相比变得不经济。

4微生物净化技术

微生物净化法是近年来发展起来的分解VOCs的一种方法，该技术已在德国、荷兰得到规模化应用，有机物去除率大都在90％以上。该方法净化VOCs过程的实质是附着在滤料介质中的微生物，在适宜的环境条件下，利用VOCs作为炭源和能源，维持其生命活动，并将有机物转化为简单的无机物(CO2、H2O)或细胞组成物质的过程。微生物净化法处理VOCs一般要经历3个步骤：

(1)VOCs同水接触并溶解于水中(即由气膜扩散进入液膜)；

(2)溶解于液膜中的VOCS在浓度差的推动下进一步扩散到生物膜，进而被其中的微生物捕获并吸收；

(3)进入微生物体内的VOCs在其自身的代谢过程中作为能源和营养物质被分解，经生物化学反应最终转化成为无害的化合物。

根据微生物在VOCs处理过程中存在的形式，可将处理方法分为生物洗涤法(悬浮态)和生物过滤法(固着态)。生物洗涤法即微生物及其营养物配料存在于液相中，气相中的有机物通过与悬浮液接触后转移到液相，从而被微生物降解，其典型形式有鼓泡塔、喷淋塔及穿孔塔等生物洗涤塔。生物过滤法是微生物附着生长于固体介质(填料)表面，VOCs通过由固体介质构成的固定塔层(填料层)时，被吸附、吸收，最终被微生物降解。其典型的形式有土壤、堆肥、填料等材料构成的生物过滤塔。生物滴滤塔则同时有悬浮态和固着态的特性。

微生物净化法一般用于处理低浓度VOCs。其主要优点是流程和设备较简单，一般不消耗有用原材料，运行能耗和费用较低、安全可靠、较少形成二次污染。但由于生化反应速率较低，使设备体积较大，且有压力损失，对温度和湿度变化敏感。表1表明了以上处理技术的优劣。

总结与展望

随着工业的飞速发展和城市化进程的加快，公众对生活环境、工作环境质量的要求越来越高，VOCs由于其高危害性也越来越受到重视，根据其物理和化学性质，选择不同方法来处理，不仅可以减轻环境污染，还会取得一定的经济效益。因此，VOCs的回收与处理技术将日趋活跃，应用前景非常广阔。

中国对VOCs的治理与管理相对较弱，但随着大气污染的日益严重和国家管理力度的加大，对VOCs排放的限制也日益严格。环保部在2013年发布《挥发性有机物(VOCs)污染防治技术政策》，在2014年出版了重点行业VOCs控制技术指南，主要涉及源头削减技术、工艺过程控制技术、末端治理技术等细分领域。随着环保法规的逐步健全，建立完善的控制管理办法，厂家采取相关的控制措施，会有效降低大气中的VOCs浓度，对提高人们的健康水平有深远的意义。

编辑：张伟