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2.1有机废气(VOCS)的来源及危害

大气污染是我国目前相当突出的环境问题之一,工业废气是大气污染物的重要来源。大量工业废气排入大气,必然使大气环境质量下降,给人体健康带来严重危害。工业废气中相当难处理的就是有机废气,有机废气通过呼吸道和皮肤进入人体后,能给人的呼吸、血液、肝脏等系统和器官造成暂时性和长久星期变,尤其是苯并芘类多环芳烃能使人体直接致癌,已经引起人类的高度重视。工业生产中会产生各种有机物废气,主要包括各种烃类、醇类、醛类、酸类、酮类和胺类等,这些有机废气会造成大气污染,危害人体健康,而且还会造成浪费,所以有机废气的处理与净化势在必行。进入 21世纪,随着社会经济的发展和人们环保意识的增强,人们对环境质量提出了更高的要求。目前我国的环境问题依然十分突出,已严重地制约了经济发展和人民生活水平的提高,其中有毒有机物对环境污染非常严重,该类污染物具有排放量大、污染面广和难以降解的特点,对它们的污染控制一直是环保工作者研究的重点课题。

有机废气主要来源于石油和化工行业生产过程中排放的废气,特点是数量较大,有机物含量波动性大、可燃、有一定毒性,有的还有恶臭,而氯氟烃的排放还会引起臭氧层的破坏。石油和化工工厂及石化产品的存储设施,印刷及其他与石油和化工有关的行业,使用石油、石油化工产品的场合和燃烧设备,以石油产品为燃料的各种交通工具都是有机废气的源头。有机废气的来源和污染途径见表1。

表1 有机废气的来源及污染途径

    有机废气对人体的危害是多方面的,不同行业有机物废气的毒性也是各不相同的,其中工业废气中10 种常见的有机废气对人体的危害主要表现为:苯类有机物多损害人的***,造成神经系统障碍,当苯蒸气浓度过高时(空气中含量达2 %) ,可以引起致死性的急性中毒。多环芳烃有机物有强烈的致癌性。苯酸类有机物能使细胞蛋白质发生变形或凝固,致使全身中毒。发生腈类有机物中毒时,可引起呼吸困难、严重窒息、意识丧失直至死亡。有机物硝基苯影响神经系统、血相和肝、脾器官功能,皮肤大面积吸收可以致人死亡。芳香胺类有机物致癌,二苯胺、联苯胺等进入人体可以造成缺氧症。有机氮化合物可致癌。有机磷化合物降低血液中胆碱脂酶的活性,使神经系统发生功能障碍。有机硫化合物中,低浓度硫醇可引起不适,高浓度可致人死亡。含氧有机化合物中,吸入高浓度环氧乙烷可致人死亡;丙烯醛对粘膜有强烈的刺激;戊醇可以引起***、呕吐、腹泻等。

为了提高居民生活环境质量、杜绝空气污染隐患，有机废气(VOCS)的控制已成为目前一些地区亟待解决的环境问题之一。

3.光氧等离子裂解工业废气处理技术

作为废气处理领域的参与者与领跑者，创盛环保工业光氧等离子体技术处理废气反应分为两个过程：裂解反应过程和催化氧化过程。

3.1裂解反应

利用特制的高能高臭氧UV紫外线光束照射恶臭气体，裂解恶臭气体如：氨、三甲胺、硫化氢、甲硫氢、甲硫醇、甲硫醚、二甲二硫、二硫化碳和苯乙烯，硫化物H₂S、VOC类，苯、甲苯的分子键，使呈游离状态的污染物分子与臭氧氧化结合成小分子无害或低害的化合物，如CO₂、H₂O等；利用高能高臭氧UV紫外线光束分解空气中的氧分子产生游离氧，即活性氧，因游离氧所携正负电子不平衡所以需与氧分子结合，进而产生臭氧。UV＋O₂→O-+O＊(活性氧)O+O₂→O₃(臭氧),众所周知臭氧对有机物具有极强的氧化作用，对恶臭气体及其它刺激性异味有立竿见影的***效果；恶臭气体利用排风设备输入到本净化设备后，净化设备运用高能UV紫外线光束及臭氧对恶臭气体进行协同分解氧化反应，使恶臭气体物质其降解转化成低分子化合物、水和二氧化碳，再通过排风管道排出室外。

根据企业排放废气的特点，采用UV光解技术净化废气，首先需要确定这些主要废气或恶臭物质的各化学键键能，只有键能低于UV光子能量，才能被裂解，净化效果才能够得到保障。

表3-1  常见化学键的键长与键能 

上表中包含了废气中的几乎所有化学键键长、键能参数，而这些键能绝大部分低于UV***光解设备的UV光子相当高能量（704kJ/mol）。所以理论上以上几种化合物都是能被裂解的。

废气分子只被裂解成原子、自由基是不够的，还需要通过臭氧将其氧化成稳定的小分子，如CO₂、H₂O等，从而达到废气净化的目的。故需要有充分的氧气被高能UV光照射生成臭氧。

在满足有机废气分子键能低于UV光子能量以及含氧量充足的条件下，根据风量情况配置合适的UV光催化氧化设备，可以保证净化达到恶臭排放标准。

以苯为例：

苯分子UV光解氧化反应机理

在波长范围170nm-184.9nm（704kj/mol-647kj/mol）高能紫外线的作用下，一方面空气中的氧气被裂解，然后组合产生臭氧（见反应①、②）；另一方面将恶臭气体的化学键断裂，使之形成游离态的原子或基团（见反应③）；同时产生的臭氧参与到反应过程中，使恶臭气体最终被裂解、氧化生成简单的稳定的化合物，如CO₂、H₂O等（见反应④）。

注：（1）恶臭物质能否被裂解，取决于其化学键键能是否比所提供的UV光子的能量要低。

（2）裂解反应的时间极短（＜0.01s）。

（3）提供的UV光子总功率不够或者含氧量不足，会因为裂解或氧化不完全而生成一些中间副产物，从而影响净化效率。对于高浓度大分子的有机恶臭物质体现得较为明显。

3.2催化氧化过程

采用的半导体是目前反应效率相当高的纳米TiO₂光催化剂，经蜂窝陶瓷载附特殊处理后使用，达到理想效果。在光催化氧化反应中，通过紫外光照射在纳米TiO₂光催化剂产生电子空穴对，与表面吸附的水分（H₂O）和氧气（O₂）反应生成氧化性很活泼的羟基自由基（OH^-）和超氧离子自由基（O_2-、O-）。能够把各种废臭气体如醛类、苯类、胺类、氮氧化物、硫化物及其它VOC类有机物、无机物在光催化氧化的作用下还原成二氧化碳（CO₂）、水（H₂O）以及其他***无害物质，同时具有除臭、***、杀菌的功效，由于在光催化氧化反应过程中无任何添加剂，所以不会产生二次污染。半导体光催化剂大多是n型半导体材料（当前以TiO₂使用相当为***）都具有区别于金属或绝缘物质的特别能带结构，即在价带（ValenceBand，VB）和导带（ConductionBand，CB）之间存在一个禁带（ForbiddenBand,BandGap）。由于半导体的光吸收阈值与带隙具有式k=1240/Eg(eV)的关系，因此常用的宽带隙半导体的吸收波长阈值大都在紫外区域。当光子能量高于半导体吸收阈值的光照射半导体时，半导体的价带电子发生带间跃迁，即从价带跃迁成超氧负离子，而空穴将吸附在催化剂表面的氢氧根离子和水氧化成氢氧自由基。而超氧负离子和氢氧自由基具有很强的氧化性，能将绝大多数的有机物氧化至最终产物CO₂和H₂O，甚至对一些无机物也能彻底分解。

废气净化示意图：

3.3技术性能及特点

工业光氧等离子体废气净化设备具有净化效率高，实用范围广，运行成本低，占地面积小。光氧净化的长期稳定、***，需要反应温度＜70℃，粉尘量＜100mg/m³，相对湿度＜97%。废气物质中若某种特殊化学元素的含有量过高（如Cl、F等），也会导致氧化剂臭氧的生成量大大降低，最终影响总体的净化效果。

4.工程基本情况

4.1废气产生源基本情况

4.1.1基本情况

根据贵司提供的技术参数得知：印刷车间尺寸：36×18×8米，换气次数为4次/小时，风量设计为20000m³/h。

根据物料的物理性质和化学性质，印刷生产车间废气成分主要是溶剂产生的废气甲苯、苯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、溶剂油、乙醇、丁醇等.油漆主要含有色料、树脂、溶剂、辅助剂等，废气产生的主要在油漆搅拌、混合、复合过程，挥发出来有机溶剂是废气污染的主要来源。。

4.1.2废气主要成分理化性质

根据物料的物理性质和化学性质，其废气主要成分是有机溶剂苯、甲苯及二甲苯等有机类废气等分析。

A苯

苯（Benzene, C₆H₆）在常温下为一种无色、有甜味的透明液体，并具有强烈的芳香气味。苯可燃，毒性较高，是一种致癌物质。可通过皮肤和呼吸道进入人体，体内极其难降解，因为其有毒，常用甲苯代替，苯是一种碳氢化合物也是相当简单的芳烃。它难溶于水，易溶于有机溶剂，本身也可作为有机溶剂。苯是一种石油化工基本原料。苯的产量和生产的技术水平是一个国至家石油化工发展水平的标志之一。苯具有的环系叫苯环，是相当简单的芳环。苯分子去掉一个氢以后的结构叫苯基，用Ph表示。因此苯也可表示为PhH。

化学式：C₆H₆，结构式：

其中主要化学键C-C、C-H等，键能分别为332KJ/mol、414KJ/mol。针对这种分子内化学键键能较小的有物质，通过紫外灯管发出的高能紫外光光子被污染物吸收裂解污染物化学键形成[C]^*、 [H]^*等自由基与紫外灯裂解废气中的氧气形成臭氧反应生成CO₂、H₂O等***无害的小分子化合物。

B甲苯

无色澄清液体。有苯样气味。有强折光性。能与乙醇、 乙醚、丙酮、氯仿、二硫化碳和冰乙酸混溶，极微溶于水。相对密度 0.866。凝固点-95℃。沸点110.6℃。折光率 1.4967。闪点（闭杯） 4.4℃。易燃。蒸气能与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限 1.2%～7.0%（体积）。低毒，半数致死量（大鼠，经口）5000mg/kg。高浓度气体有麻醉性。有刺激性。

分子式：C₇H₈，结构式：

主要分子内化学键C-C、C-H等，键能分别为332KJ/mol、414KJ/mol。针对这种分子内化学键键能较小的有物质，通过紫外灯管发出的高能紫外光光子被污染物吸收裂解污染物化学键形成[C]^*、[O]^*、[H]^*等自由基与紫外灯裂解废气中的氧气形成臭氧反应生成CO₂、H₂O等***无害的小分子化合物。

4.2排放标准

废气经处理后车间工艺废气排放符合《大气污染物综合排放标准》GB16297-1996二级标准，《工业企业挥发性有机物排放控制标准》DB12/254-2014。

废气处理装置运行时车间的污染物（如苯、甲苯等）降至《工作场所有害因素职业接触限值》GBZ2-2002接触限值以下。噪声达到《工业企业厂界环境噪音排放标准》GB12348-2008中3类及4a类标准

表4-2《大气污染物综合排放标准》(GB16297-1996)

.异味废气处理工艺介绍

5.1工艺流程

废气处理流程图如下

注：废气收集后首先进行水洗处理，即采用水洗塔进行处理，处理效果达到90%～95%；然后在进行工业光氧等离子废气净化处理，最后进行达标排放。

5.2废气处理工艺说明

5.2.1管道收集系统

1.收集系统是采用水洗式收集，按风量20000 m³/h设计，管道布置见附件。

风量为20000m³/h时，集气主管道直径D设计为：取700mm。

2.收集系统是采用水洗式收集，按风量40000 m³/h设计，管道布置见附件。

风量为40000m³/h时，集气主管道直径D设计为：取900mm。