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辽宁12选5最大遗漏:UV光解處理VOCs技術的探討

文章來源://www.infqm.com/News/qiyedongtai/73.html人氣:0發表時間:2017-9-20 15:30:29

爱乐彩十一选五 www.infqm.com 最近幾年UV光解技術在處理揮發性有機廢氣(VOCs)和除臭得到了廣泛的應用。然而,對于UV光解技術處理VOCs的效果卻褒貶不一。雖然我不是這個領域的,但是通過學習,分享給各位我對UV光解技術的一些認識和體會,供大家討論。

一、UV光簡介

我們平時常見的白色太陽光,實際上是由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種單色光組成的。其中可見光處在波長380-780nm之間(有的說400-800nm)。紫外光是電磁波譜中波長從10~380nm輻射的總稱,肉眼是看不到的。


紫外光開始于可見光的短波極限,而與X射線的長波波長相重疊。紫外光可劃分為長波(UVA,315~380nm)、中波(UVB,280~315nm)、短波(UVC,200~280nm)、真空紫外(UVD,10~200nm)4個波段,相應的源分別稱之為長波、中波、短波和真空紫外光源。


二、紫外光源

紫外光源是以產生紫外輻射的的非照明用光源。紫外光源具有熒光效應、生物效應、光化學效應和光電效應,適用于工業、農業、國防和醫療等領域。

紫外光源主要有紫外線高壓汞燈(~365nm)、低壓汞燈(~254nm和185nm)等等。低壓汞燈是利用較低汞蒸汽壓(<10-2Pa)被激化而發出紫外光,其發光譜線主要有兩條:一條是254nm波長;另一條是185nm波長,這兩條都是肉眼看不見的紫外線。

由于紫外線無法通過普通玻璃,因此必須使用石英玻璃,而且是高純度的石英玻璃,對雜質含量要求非常高。如果在石英玻璃中含有鈦元素,對200nm以下的紫外線具有截止作用,而對254nm紫外線透過基本無影響。利用這個原理,可以通過控制鈦元素的添加量,可有效的控制185nm紫外線的逸出(通過)量。由于185nm的紫外線能夠激發空氣中的氧氣生成臭氧(O3),因此通過改變石英玻璃的性能,控制臭氧產生量,以制作低臭氧(無臭氧)、臭氧、高臭氧等三種紫外燈管。

三、光子能量與化學鍵鍵能

光子能量計算公式為:E(能量)=h(普朗克常數)×H(頻率),可將計算公式簡化為E=1240/λ(λ為光波長,nm),光子能量可以按照這個簡單公式來計算,光子波長越短其能量越高。100nm光子能量為12.4eV;200nm光子能量為6.2eV;300nm光子能量為4.1eV;400nm光子能量為3.1eV。

表2為揮發性有機物中常見的化學鍵的鍵能,同時增加了氧氣(O2)的鍵能。從表中可以看出,C-N和C-S鍵的鍵能較低,容易斷裂。氧氣(O2)中的O=O的鍵能為5.16eV。當紫外光的光子能量大于化學鍵鍵能時,紫外光光子可以破壞化學鍵。由于C-N和C-S鍵的鍵能較低,因此任何波長的紫外光都可以解離C-N和C-S鍵。而O2中O=O鍵的鍵能為5.16eV,對應的紫外光波長為240nm,理論上波長小于240nm的紫外光,可以解離氧氣分子生成氧原子。氧原子再與氧分子結合生成臭氧(O3),這也是為什么185nm紫外光能夠生成臭氧,而254nm紫外光不生成臭氧的原因。


四、紫外光消除VOCs和惡臭

從前面的分析可知,當紫外光照射VOCs時,如果紫外光波長在240nm以上,那么無法激發氧氣生成臭氧,但能激發鍵能較低的C-N和C-S鍵,也可以使之解離。但是紫外光波長小于240nm時,不但能激發氧氣生成臭氧,還能對鍵能較高的化學鍵起到激發和解離作用。如果化學鍵得到激發,那么有機物分子變的更為活潑,使得容易進一步氧化。

當前紫外光在VOCs和惡臭消除領域有著廣泛的應用,與UV光相關技術有UV光解氧化技術、光催化技術、臭氧氧化技術,具體如下:

1.光催化技術

光催化劑是在光的照射下,自身不起變化,卻可以促進化學反應的物質。光催化劑是利用光能轉換成為化學反應所需的能量,來產生催化作用,使周圍之氧氣及水分子激發成極具氧化力的OH-及O2-自由負離子。幾乎可分解所有對人體和環境有害的有機物質。目前效果較好的是二氧化鈦(TiO2)光催化劑,TiO2光催化劑只能在紫外光照下有效,可見光是無效的。光催化技術的關鍵點是必須有高性能的光催化劑。據我所知光催化的反應效率(速度)相對比較低。玻璃的自清潔就是利用光催化的原理。

2.臭氧氧化技術

由于在240nm以下紫外光能夠產生臭氧,在此有必要解釋一下臭氧。臭氧(O3)是一個非常強的氧化劑,能在短時間內將空氣中的浮游細菌消滅,分解毒氣、VOCs,去除惡臭。因此臭氧可用于凈化空氣、飲用水,殺菌,處理工業廢物和作為漂白劑。臭氧也能與VOCs反應,將VOCs氧化成無毒無害的CO2和H2O。

3.UV光解技術

UV光解技術作為消除VOCs和惡臭目前比較流行的技術,特別在處理低濃度VOCs方面有很多的應用。在網絡上可以看到許多環保產品宣傳都用UV光解氧化這個名字。然而,從“UV光解”這個名字,讓人的感覺是紫外光來解離有機物直接把VOCs破壞了。實際中應用中,都是采用簡單的185和254nm的紫外燈管。根據前面介紹,我們很容易想到,只要有185nm的紫外線,就會有臭氧產生。臭氧具有非常強的氧化性,它能和所有有機物反應,破壞有機物分子,如果有足夠的臭氧,最終可以將有機物氧化到二氧化碳和水。當然,紫外光也能夠破壞有機物,但是這些有機物碎片能否與氧氣反應不得而知。破壞有機物并不等于把有機物轉換為無害的二氧化碳和水,如果僅僅把大分子打碎變成小分子,那么VOCs依然存在。這些有機物碎片估計不能與氧氣反應,如果能與氧氣反應,那么就不需要光催化技術了。因此,我認為,所謂UV光解(氧化)技術如果沒有光催化劑的配合,其實就是臭氧氧化技術。

對于UV光解技術的脫臭,由于惡臭物質一般含有N和S的有機物,而有機物中的C-N鍵和C-S鍵的鍵能較低,很容易和臭氧也很容易被UV光解離,只要破壞了有機物中的C-N鍵和C-S鍵,那么臭味將大大降低或消失。這也許是我們經常聽到的UV光解對惡臭效果較好的原因。

如果UV光解設備,沒有配備光催化劑,假設只通過臭氧來氧化VOCs。以甲苯為例,假設甲苯濃度為10ppm(41mg/m3),風量為10000m3/h。通常來說臭氧中只有一個活性氧[O],如果按照如下化學計量反應:

C7H8(甲苯)+18O3=7CO2+H2O+8O2

假設臭氧全部利用,不發生逃逸。那么10ppm甲苯,需要180ppm的臭氧(O3),即385mg/m3。

一個做UV光管的老總前幾天告訴我,185nm的UV光管,每瓦每分鐘產生0.1mg臭氧,也就是每瓦每小時產生6mg臭氧。即1m3/h氣體需要配置64W功率的UV光管(假設出生臭氧是線性的)。如果處理1000m3/h,需要64KW的光管,這樣的能量消耗已經非常大了。如果采用電暈放電法臭氧發生器,文獻上查到的數據是1000g臭氧耗能7500W,是1m3/h需要那么2.9W,1000m3/h只需要2.9KW。也就是說,如果僅僅利用了UV光的臭氧,那么效率是非常低下的。

假如按照如下化學計量發生反應:

C7H8(甲苯)+6O3=7CO2+H2O

那么處理1000m3/h的有機廢氣,前者需要21.3KW(即使這樣實際中也是不可能,后者需要0.97KW。

還有一個可能是,如果有機物的鍵(C-C,C-H鍵)能夠被UV光打斷,是否能直接能與氧氣發生反應生成CO2和H2O。那么,如果這種方式成立的話,就不需要前面所講的光催化劑了,可見被UV打碎的有機分子,是不容易和氧氣反應生成CO2和H2O。即使這個過程成立,那么打碎有機分子也是需要能量的,由于計算難度太,這里無法給出定量的數據了。

由于這個領域的相關科學論文還比較缺少,我認為需要更多的研究來提高該領域的應用水平。本人認為,提高UV光解的效果,將氧氣引入(參與)反應是至關重要的,同時需要光催化劑相配合。如果只是臭氧參與反應,那么用185nm光產生臭氧是非常不經濟的,應該用最為經濟的電暈放電法臭氧發生器來提供臭氧。此外,如果配合及其他催化劑來活化氧氣分子,讓活化的氧氣分子與解離的有機物反應,擺脫對臭氧的依賴,達到消除VOCs,才是高效低能耗的好方法。

原標題:UV光解處理VOCs技術的探討


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