环保尾气治理光催化氧化技术.docx

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环保尾气治理光催化氧化技术

光催化氧化介绍

第一章光催化氧化研究历史

1976年John.H.Carey等研究了多氯联苯的光催化氧化，被认为是光催化技术在消除环境污染物方面的首创性研究工作。

1977年，YokotaT等发现在光照条件下,TiO2对丙烯环氧化具有光催化活性，从而拓宽了光催化的应用范围，为有机物氧化反应提供了一条新的思路。

自1983年起，A.L.Pruden和D.Follio就烷烃、烯烃和芳香烃的氯化物等一系列污染物的光催化氧化作了连续研究，发现反应物都能迅速降解。

1989年，Tanaka.K等人研究发现有机物的半导体光催化过程由羟基自由基（·OH）引起，在体系中加入H2O可增加·OH的浓度。

进入了90年代，随着纳米技术的兴起和光催化技术在环境保护、卫生保健、有机合成等方面应用研究的发展迅速，纳米量级的光催化剂的研究，已经成为国际上最活跃的研究领域之一。

第2章我公司对光催化研究的历程

我公司于2012年开始立项研究光催化净化废气，属于国内最早研究关于光触媒在废气净化处理中应用的公司之一。

当时从事这个项目研究的有北京某环保公司、苏州某环保及我公司，共三家公司。

后来从事光触媒净化废气应用的公司都是在我们三家研究基础上进行的模拟应用，他们对核心的技术不了解，对于光强、光波把握不准，对于催化剂的选用及保护了解不透，只是炒作概念。

因光催化是一个复杂的化学反应过程，有严格的化学反应条件，有机污染物、光强、光波、水、氧气、催化剂的结构等条件均达到化学反应要求时，才会发生化学反应。

有一个条件达不到反应要求，是不会进行化学反应的。

所以某些公司的设备处理效果一般。

甚至于某些公司应用时在污染物表面直接喷二氧化钛催化剂，以为有了催化剂就会发生化学反应，现在他们还在这么应用推广。

我公司从理论设计确立到小试、再到初试、中试，等一系列实验。

选用甲苯、二甲苯、油漆、汽油、沥青及有恶臭的有机物等各种污染物进行研究。

研究开始时走了很多弯路，印证了在科技创新的道路上没有坦途，只有艰难。

公司开发团队克服重重困难，充分发挥百折不挠，锲而不舍的科学精神。

历经一年不断的研究、探索、同行交流，请教某些高校的老师指导，终于在2013年2月成功研制出样机。

对苯类、油漆、沥青及有恶臭味的有机物等污染物的净化分解，均达到国家一级排放标准要求。

一分耕耘一分收获。

接下来公司依靠自身科技实力，并与国内外科研机构交流合作，针对不同行业的生产特点，结合生产场地的不同工况，设计推出了具有行业特点，针对性强的一系列工业废气净化治理设备。

可广泛应用于化工，电子，食品，喷涂，印刷，建材，橡胶，制药等行业，及屠宰场，医院，餐饮等有关作业场所的有毒，有味，气态污染的防治工作。

公司以致力于环保事业，共创碧水蓝天为使命，今后将不断研究各种环保处理设备，做优质高效的光触媒废气净化产品，做优质的水处理设备。

更好的为广大客户，和国家的环保事业服务。

第三章光催化氧化工艺介绍

“光触媒”的主要成分是锐钛型二氧化钛（TiO2），作为一种新的光催化半导体材料，近半个世纪以来的成功运用，日本已将其列为本世纪重点发展的新技术，被誉为当今世界上最先进的空气净化新技术，近来在中国也得到较广泛应用。

在室温下，当光波照射到二氧化钛颗粒上时，在价带的电子被光量子所激发，跃迁到导带形成自由电子，而在价带形成一个带正电的空穴，这样就形成电子－空穴对。

利用所产生的空穴的氧化及自由电子的还原能力，二氧化钛和表面接触的H2O、O2发生反应，产生氧化力极强的自由基，这些自由基可分解几乎所有有机物质，将其所含的氢（H）和碳（C）变成水和二氧化碳。

在光量子照射下，当空气进入光催化反应腔时，高能“电子－空穴”对迅即与毒有害的有机废气直接进行化学反应，氧化、分解为无污染的水和二氧化碳等。

光致电子和空穴的产生

氧气、水和有机物在催化剂表面的吸附（以下标”ads”表示吸附）

氧化剂的生成

有机物的催化分解

本公司研制的光催化氧化设备，使用的“光离子+复合光触媒”分解有机废气，是根据VOC的化学特性，独创的具有国际先进水平的降解技术，其核心是首先用光离子体产生高能量电子，在二氧化钛的催化作用下，在O2和H2O的参与下，直接分解如苯、甲苯、二甲苯等有机气体，其迅速降解生成CO2，H2O，从而达到对废气气体较为满意的综合降解效果。

以下以常规有机废气苯类为例来说明废气净化的反应原理：

第四章有机类废气工艺选择分析

废气处理工程包括集气罩设计，气体管道输送和废气净化三个部分。

1.净化工艺

根据废气状况，现阶段针对有机废气可能采用的处理工艺主要有：

吸附法；吸收法；燃烧法；生物法；光触媒净化法等。

净化工艺原理以及工艺投资、效率、能耗等对比如下：

A）吸附法

吸附法主要是利用多孔的活性炭、沸石分子筛、硅藻土，无烟煤等分子级空间极大的物质，废气污染物分子被吸附到吸附质表面，从而把空气净化达到环保需求。

因活性炭吸附法是比较老的净化工艺，具有适用广泛、初期净化效率高、使用简单方便便等优点，因此被众多使用者所广泛熟知。

但活性炭等吸附工艺也存在其无法克服的缺陷，尤其处理大风量废气或污染物浓度较高时，其吸附的饱和点难撑控，吸附容量小、饱和周期短且脱附不彻底难以控制等问题将愈加严重。

除了新安装之后短时期较顺利之外，活性炭的吸附效率无法继续保持。

饱和快、饱和之后难以脱附，因此吸附装置很快会失效。

后期活性炭本身也成了污染源不断释放废气。

因此，采用活性炭废气净化设备的项目时常会出现排放超标、附近居民投诉等现象。

此外，活性炭装置运行维护成本较高。

1、其运行时设备风阻较大、风机压头相对较大，因此用电能耗高（设备每天24小时运行，日常用电是最重要的一笔费用）；2、设备如须确保净化效果，需经常更换活性炭，作为耗材每年其更换购买新活性炭的费用将极其高昂，同时还要考虑固废处理；3、后期运行维护成本高，活性炭需经常脱附或更换，搬运及人工操作成本高，设备管理工作繁琐；4、此外，活性炭饱和周期难以掌控，管理难度大，当脱附或更换不及时造成排放超标时容易被政府环保部门稽查。

活性炭废气净化设备最大的不足，是其自身存在的安全隐患。

活性炭吸附是物理反应，吸附的过程中会散发热量。

当大量废气进入活性炭吸附被吸附不断产生热量，热量在活性炭吸附床内蓄积，加之活性炭内部吸附有大量可燃性有机物，可能造成自燃现象。

从行业内多年的经验来看，此安全隐患是真实存在的、不容忽视。

尤其在活性炭吸附床内部本身存在一些气流死角位置，可燃性的苯乙烯油雾在活性炭表面长时间黏结，当夏季室外的日光长时间暴晒或者进入塔体内部的废气温度本身就比较高的情况下，出现自燃的概率更高。

B）吸收法

按吸收液的不同可分为水吸收法和药剂吸收法。

1、水吸收法适用于含高浓度的粉尘类物质，仅可有限去除废气中的悬浮雾尘及水溶性物质，而对不溶于水的有机废气吸收效果甚微。

水吸收法不适合苯类的不溶于水的有机废气处理。

2、药剂吸收法是利用药剂与污染物反应，或利用相似相溶原理吸收空气中的污染物。

根据不同的污染物选用不同的药剂，但往往会造成二次污染，一般不可用。

C）燃烧法

燃烧法分直接焚烧法和催化氧化燃烧法。

1、直接燃烧法需要较高的温度800℃左右，需消耗大量能源，另外易在高温下生成COx等有害物质造成二次污染。

2、催化氧化燃烧是典型的气-固相催化反应，催化剂的作用是降低活化能，可使有害成分在较低温度（通常在250℃--400℃之间）下完全燃烧，转化为无害的二氧化碳和水，净化效率可高达95%以上。

该方法具有一定的可回收利用价值，但是在实际应用中，依然存在着催化剂价格昂贵、容易中毒，催化燃烧技术能耗高，燃烧反应难以启动和维持，净化效率低，燃烧安全隐患大等一系列的问题。

D）低温等离子处理法

等离子是物质存在的除固态，液态，气态之外的第四种状态，具有宏观度的电中性与高导电性。

等离子体中含有大量活性电子，离子，激发态粒子和光子等。

这些活性粒子和气体分子碰撞的结果，产生大量的强氧化性自由基O，有机物分子被这些强氧化性的物质所氧化，最终降解为CO2和H2O。

等离子体的发生技术主要有：

直流电晕放电法、脉冲电晕放电法、介质阻挡放电、表面放电，目前常见的放电反应器电晕放电和介质阻挡放电的气体压强为105Pa，电场强度分别为5×104和102-105，等离子体的产生采用的都是高压电场放电，对于一些易燃易爆如喷涂行业有机挥发废气的处理存在很大危险性，而且对于大分子的有机物分解不完全，效率低下，适应性有限。

目前市场上大多数存在技术缺陷，安全隐患大。

如，2013年春节前夕，山西翔宇化工采用上海*翰环保公司等离子废气处理设备发生爆炸、浙江新华制药厂爆炸、山东潍坊新和成制药等离子废气设备在试运行时即发生爆炸、日本大阪大学、贵州六盘水某单位等等众多案例均发生此类事故。

E）生物滤池处理法

生物滤池工艺将人工筛选的特种微生物菌群固定于生物载体上，当污染气体经过生物载体表面初期，可从污染气体中获得营养源的那些微生物菌群，在适宜的温度、湿度、pH值等条件下，将会得到快速生长、繁殖，并在载体表面形成生物膜，污染气体中的有毒有害成分接触生物膜时，被相应的微生物菌群捕获并消化掉，从而使有毒有害污染物得到去除。

收集的臭气先经过加湿处理，再通过长满微生物的、湿润多孔的生物滤层，臭气物质被填料吸收，然后被微生物分解成二氧化碳和其它无机物，从而达到除臭目的。

生物滤池的最大缺点是填料为树皮、树枝及其它有机质，一般两年内需更换一次填料,影响除臭效果（要重新培养驯化菌种）；处理效果受进气浓度影响，不太稳定，对于喷淋污水中有机物浓度有一定要求，系统维护运行也较困难；此外，生物滤池的占地面积也较大，冬季的保温也是一个较难解决的问题。

且就目前国内的生物滤池法对废气的进口浓度有一定的局限性（硫化氢浓度20∽60mg/m³、氨气浓度5∽30mg/m³）.且除臭废气要在连续运行中才能对细菌的生长、存活起到积极作用。

运行一段时间后容易出现问题，对疏水性和难生物降解物质的处理还存在较大难度。

且菌种受环境影响大。

整体工艺目前技术并不完善、运行不稳定。

F）光触媒净化法

当二氧化钛超微粒子接受波长为253.7nm以下的紫外线照射时，其内部由于吸收光能而激发产生电子及空穴对，即光生载流子，然后迅速迁移到其表面并激活被吸附的氧和水分，产生活性自由氢氧基（·OH）和活性氧（·O）。

活性自由基·OH、·O等具有极强的氧化能力，可氧化分解各种有机化合物和部分无机物，把有机污染物分解成无污染的水（H2O）和二氧化碳（CO2）。

此种方法强氧化性自由基产生的条件温和。

2.净化工艺费用及使用优劣性对比

优劣性对比表：

工艺特点

净化工艺

安全性

净化效率

建设费用（购买设备的总投资）

运行成本（设备运行能耗、耗材费用及维护保养成本）

有无二次污染

活性炭吸附法（带脱附装置）

不安全（活性炭吸附过程中所产生热量蓄积可能自燃、脱附时高温易造成燃烧）

中等（大风量或废气浓度较高时易失败）

较低

高

固废需处理

燃烧法

不安全

高

高

非常高

有

低温等离子法

不安全（有机废气易燃易爆）

中等

较高

较高

无

生物滤池

安全

65~80%

土建投资高

除了主引风机和循环水泵外，还需额外补充氧气的风机和生物膜反冲洗系统，能耗高

卫生条件差、易滋生滤池蝇

光触媒净化法

安全

高

中等

非常低

无