有機(jī)氣相污染物治理技術(shù)

　　隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，商品生產(chǎn)給人類物質(zhì)文明增色添彩，然而與豐富的物質(zhì)享受相伴而生的是人類生態(tài)環(huán)境在遭受不斷地威脅。有機(jī)氣相污染物排放所造成的環(huán)境污染問題，帶給生態(tài)環(huán)境和人類身體健康嚴(yán)重的危害性因而成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。有機(jī)氣相污染物的來源主要有固定源和移動(dòng)源兩種。移動(dòng)源主要有汽車、輪船和飛機(jī)等以石油產(chǎn)品為燃料的交通工具的排放氣;固定源的種類極多，主要為石油化工工藝過程和儲(chǔ)存設(shè)備等的排出物及各種使用有機(jī)溶劑的場(chǎng)合，如噴漆、印刷、金屬除油和脫脂、粘合劑、制藥、塑料和橡膠加工等。就目前的工業(yè)水平而言，無法避免這些氣相污染物的排放，因此人們迫切需要有效治理這些氣相污染物的技術(shù)。

　　本文綜述了傳統(tǒng)有機(jī)氣相污染物治理技術(shù)，展望了有機(jī)氣相污染物治理新技術(shù)發(fā)展方向，同時(shí)重點(diǎn)介紹了氣相污染物治理中半導(dǎo)體光催化氧化技術(shù)。

　　1 有機(jī)氣相污染物的治理

　　有機(jī)氣相污染物治理的方法主要有兩類：一類是回收法，另一類是消除法?；厥辗ㄖ饕刑课?、變壓吸附、吸收法、冷凝法及膜分離技術(shù);一般回收法是通過物理方法，改變溫度、壓力或采用選擇性吸附劑和選擇性滲透膜等方法來富集分離有機(jī)氣相污染物。消除法有直接燃燒、熱氧化、催化燃燒、生物氧化、等離子體法、紫外光催化氧化法及其集成技術(shù);消除法主要是通過化學(xué)或生化反應(yīng)，用熱、光、催化劑和微生物將有機(jī)氣相污染物轉(zhuǎn)變成為CO2和水等無毒害的無機(jī)小分子化合物。基于以上原理，傳統(tǒng)上有機(jī)氣相污染物污染治理常采用吸附或吸收去除、燃燒去除等方法，近年來生物氧化、半導(dǎo)體光催化劑技術(shù)得到很快地發(fā)展。

　　1.1 傳統(tǒng)有機(jī)氣相污染物污染治理技術(shù)

　　1.1.1 吸附或吸收法

　　吸附法是利用某些具有吸附能力的物質(zhì)如活性炭、硅膠、沸石分子篩、活性氧化鋁等吸附有害成分而達(dá)到消除有害污染的目的[2]。吸附法適用于幾乎所有的氣相污染物，一般是中低濃度的氣相污染物;吸附效果取決于吸附劑性質(zhì)、氣相污染物種類和吸附系統(tǒng)的操作溫度、濕度、壓力等因素，具有去除效率高的優(yōu)點(diǎn)，從而使其成為去除氣相污染物較為常用的方法，但存在投資后運(yùn)行費(fèi)用較高且有產(chǎn)生二次污染的缺陷。

　　吸收法是采用低揮發(fā)或不揮發(fā)溶劑對(duì)氣相污染物進(jìn)行吸收，再利用有機(jī)分子和吸收劑物理性質(zhì)的差異進(jìn)行分離的氣相污染物控制技術(shù)。該法適用于濃度較高、溫度較低和壓力較高情況下氣相污染物的處理。羅教生選擇“水-洗油”作吸收劑來處理含苯廢氣，“水-洗油”吸收劑的吸收機(jī)理為：一般有機(jī)物是極性較弱或完全沒有極性的化合物，因此難溶或不溶于水，但可溶于一些有機(jī)溶劑;苯系物屬非極性物質(zhì)，因此難溶于水，易溶于非極性的礦物油，如洗油等;按照他的實(shí)驗(yàn)表明，水與洗油的比例、pH值、苯系物種類對(duì)吸收效果都有影響，并且獲得了該組合吸收劑的最大吸收容量值[3]。但同樣存在后處理過程復(fù)雜以及二次污染的問題。

　　1.1.2 燃燒法

　　燃燒法是利用有機(jī)氣相污染物易燃燒性質(zhì)進(jìn)行處理的一種方法。其中，直接燃燒法，又稱火焰燃燒法，它是把可燃的有機(jī)氣相污染物當(dāng)作燃料來燃燒的一種方法。該法適合處理高濃度有機(jī)氣相污染物，燃燒溫度控制在1100℃以上，去除效率達(dá)95%以上。

　　催化燃燒是一種類似熱氧化的方式來處理有機(jī)氣相污染物的，它凈化有機(jī)物是用鉑、鈀等貴金屬催化劑及過渡金屬氧化物催化劑來代替火焰，操作溫度較熱氧化低一半，通常為250℃~500℃。由于溫度降低，允許使用標(biāo)準(zhǔn)材料來代替昂貴的特殊材料，大大地降低設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用。事實(shí)上催化燃燒是燃料在接近化學(xué)計(jì)量情況下進(jìn)行氧化反應(yīng)，并放出大量熱。因此催化燃燒要求所用催化劑的首要條件，必須在高溫氧化反應(yīng)情況下具有高的活性，此外還需有高的熱穩(wěn)定性、高的機(jī)械強(qiáng)度以及對(duì)燃料中所含毒素有高的耐腐蝕性。

　　1.2 新型有機(jī)氣相污染物去除技術(shù)

　　1.2.1 生物法

　　該法最早應(yīng)用于脫臭。近年來隨著對(duì)有機(jī)氣相污染物治理技術(shù)研究的不斷深入，該法逐步應(yīng)用于有機(jī)氣相污染物治理。與常規(guī)治理技術(shù)相比，具有設(shè)備簡(jiǎn)單，投資運(yùn)行費(fèi)用低，無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，但只是在處理低濃度、易生物降解的有機(jī)氣相污染物時(shí)才具其經(jīng)濟(jì)性，即普適性較差。

　　國(guó)外用生物過濾器處理揮發(fā)性有機(jī)廢氣的研究開發(fā)已有30多年的歷史，我國(guó)在這方面的研究則還處于起步階段[5]。但實(shí)際應(yīng)用報(bào)告顯示，操作時(shí)可能遇到以下幾個(gè)主要問題而引起處理效果不好和故障：

　　(1)廢氣流量和濃度波動(dòng)較大時(shí)，生物過濾器的設(shè)計(jì)負(fù)荷與實(shí)際負(fù)荷不匹配容易造成廢氣停留時(shí)間不夠，處理效果下降;

　　(2)廢氣中顆粒物在生物過濾器濾床的積累造成濾床堵塞，阻力增大;

　　(3)濾床濕度控制不當(dāng)容易使其干燥開裂造成氣流短路;

　　(4)pH調(diào)節(jié)不當(dāng)，下降幅度大，造成微生物數(shù)量下降，使處理效果降低。

　　提高生物過濾器所用微生物對(duì)有機(jī)污染物的生物降解速率，尤其是針對(duì)較難生物降解的物質(zhì)培養(yǎng)優(yōu)異菌種并優(yōu)化其生存條件，是目前該技術(shù)的主要發(fā)展方向。這樣做的結(jié)果可使生物過濾器的體積大為減小，與其他空氣污染控制技術(shù)相比更具競(jìng)爭(zhēng)力。

　　1.2.2 半導(dǎo)體光催化技術(shù)

　　在繼Fujishima等有關(guān)TiO2單晶電極上光解水的報(bào)道[6]之后，1977年Frank等人利用半導(dǎo)體材料對(duì)污染物進(jìn)行光催化降解取得了突破性的進(jìn)展[7-8]，從此半導(dǎo)體多相光催化作為一個(gè)嶄新的領(lǐng)域得到了深入而廣泛的研究[9]。 具有多相光催化性能的半導(dǎo)體包括WO3、TiO2、CdS、ZnS、ZnO、Fe2O3、CdSe等[10]，其中的TiO2由于具有抗化學(xué)和光腐蝕、性能穩(wěn)定、無毒、催化活性高、價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)[11]而最受重視和具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)是不連續(xù)的，充滿電子的價(jià)帶(VB)和空的導(dǎo)帶(CB)之間由禁帶隔開。用作各催化劑的半導(dǎo)體大多為金屬氧化物和硫化物，一般具有較大的禁帶寬度，其中TiO2在pH為1時(shí)的帶隙是3.2eV。當(dāng)光子能量高于半導(dǎo)體吸收閥值的光照射半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體的價(jià)帶電子發(fā)生帶間躍遷，即從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生光生空穴和電子;這些光生空穴和電子具有很強(qiáng)的氧化和還原能力，可以將吸附到光催化劑表面的污染物徹底降解為無毒無害的無機(jī)小分子化合物，無二次污染問題。

　　多年來，半導(dǎo)體光催化反應(yīng)研究主要集中于液-固相反應(yīng)，對(duì)于氣-固相反應(yīng)則研究得相對(duì)較少[12]。對(duì)于使用TiO2進(jìn)行有機(jī)物的氣-固多相光催化氧化已研究過烷烴[13]、醇[14]、醛[15]、酮[16]、芳香族化合物[17]、鹵化物[18];也有NOx、汽車尾氣、室內(nèi)空氣、菌[19]等的光催化氧化研究報(bào)道。日本在氣固光催化反應(yīng)應(yīng)用方面的工作較為突出，他們將光催化劑固定在建材、路面、瓷片、外墻、內(nèi)墻等基體上，利用太陽光和室內(nèi)照明光，通過光催化作用使吸附在催化劑表面的污染物發(fā)生強(qiáng)的氧化分解，從而減輕環(huán)境有害氣體污染物。而我國(guó)在這方面的研究還有待進(jìn)一步的開拓。

　　本課題組在納米TiO2材料以及摻雜改性納米TiO2材料的制備、表征以及光催化性能研究方面的工作卓有成效[20-24]，在積累豐富的半導(dǎo)體光催化處理廢水方面的經(jīng)驗(yàn)之后，正在半導(dǎo)體光催化劑處理有機(jī)氣相污染物方面作進(jìn)一步深入的研究工作，同時(shí)設(shè)計(jì)了新型光催化反應(yīng)器[25]，努力為有機(jī)氣相污染物的治理做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

　　2 討論

　　當(dāng)前，工廠廢氣、汽車尾氣、化石燃料燃燒廢氣、居室裝修材料等釋放的有機(jī)物以及其他的細(xì)菌、真菌等氣體污染物正日益嚴(yán)重地危害地球生態(tài)環(huán)境和人類的健康。事實(shí)上，我國(guó)的空氣污染問題已不容忽視。然而，通常的污染處理方法均具有處理不徹底，成本高，存在二次污染或普適性差的問題。半導(dǎo)體多相光催化法所用二氧化鈦無毒、廉價(jià)易得、耐光腐蝕與化學(xué)腐蝕，光活性較強(qiáng)，因而受到廣泛關(guān)注。在適宜的條件下，二氧化鈦光催化能無選擇性地將氣-固界面中的難以化學(xué)氧化分解的“三致”有機(jī)物徹底礦化為CO2、水和無機(jī)酸，且無二次污染，也可以氧化無機(jī)空氣污染物、殺滅有害菌。因此，多相光催化凈化空氣是具有廣泛應(yīng)用前景的空氣污染治理技術(shù)，該技術(shù)的核心是高效半導(dǎo)體光催化劑。本課題組研究著眼于制備光催化凈化技術(shù)所需核心材料-光催化劑，設(shè)計(jì)普適化的光催化反應(yīng)器，通過不同改性的方法以提高光催化劑的吸附能力、光吸收能力、電荷分離能力，同時(shí)嘗試不同的方法將光催化劑負(fù)載于載體上，從實(shí)際上探討復(fù)合光催化劑在室內(nèi)空氣凈化上的應(yīng)用。這將為我國(guó)空氣污染治理提供有力的支持，為空氣凈化提供新型的環(huán)保材料和普適反應(yīng)器，改變我國(guó)在這方面落后于日本等國(guó)家的形勢(shì)，同時(shí)新型改性納米二氧化鈦光催化材料可望成為新世紀(jì)環(huán)境友好與環(huán)境修復(fù)材料，在更多方面得到廣泛的應(yīng)用，因而具有非常重要的理論與實(shí)際意義。