随着经济的发展和人民生活水平的提高,空气中的挥发性有机物(VOCs)污染问题日益受到人们的重视。VOCs处理是指空气中存在的室温下蒸气压大于70.9lPa,沸点260℃以下的挥发性有机物质,被视为列为粉尘之后的第二大类空气污染物。1990年美国《清洁空气法》修正案列举了189种有毒有害物质,其中大部分是VOCs处理。1993～2003年我国相继颁发了《大气污染物综合排放标准》、《恶臭污染物排放标准》和《室内空气质量标准》,因此,开发适用的VOCs处理技术已刻不容缓。

由于废气中VOCs处理污染物往往浓度低(<3000mg/m3),气量大、污染面广,如热力焚烧、催化燃烧、冷凝、吸收和吸附等传统的处理技术往往不适用,不是其处理效果达不到要求,就是投资或运行成本太高,迫使人们寻求和开发新的适用技术。

近年来,低温等离子体、光催化氧化和生物处理等新技术在处理低浓度VOCs处理废气方面已显示出其技术优势和很好的市场前景,本文将介绍这些新技术。

等离子体是含有大量电子、离子、分子、中性原子、激发态原子、光子和自由基等组成的物质的第四种形态。其总正负电荷数相等宏观上呈电中性,但具有导电和受电磁影响的性质,表现出很高的化学活性。根据体系能量状态、温度和离子密度,等离子体通常可分为高温等离子体和低温等离子体(包括热等离子体和冷等离子体)。高温等离子体的电离度接近,各种粒子的温度几乎相同,并且体系处于热力学平衡状态,它主要应用于受控热核反应研究方面。低温等离子体则处于热力学非平衡状态,各种粒子温度并不相同。

低温等离子体可通过前沿陡、脉宽窄(纳秒级)的高压脉冲放电在常温常压下获得,其中的高能电子和O˙、OH˙等活性粒子可与各种污染物如CO、HC、NOX、SOX、H2S、RSH等发生作用,转化为CO2、H2O、N2、S、SO2等无害或低害物质,从而使废气得到净化。它可促使一些在通常条件下不易进行的化学反应得以进行,甚至在极短时间内完成,故属低浓度VOCs处理的前沿技术。

低温等离子体主要是由气体放电产生的,与现代工业关系密切,应用十分广泛。按放电方式可分为辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电、射频放电及微波放电等。脉冲电晕是一种新型等离子体技术,属于冷等离子体,可在常压、低温下工作且电子能量适中,因此通常被用于VOCs处理等有害气体。在20世纪80年代中期由Masuda和Mizuno等首先提出,目前在中国、日本、俄罗斯和加拿大等地区都有研究。

FutamuraS等[3]对有害大气污染物(HAP)在低温等离子体化学处理中金属氧化物的催化活性进行了研究,在没有MnO2作催化剂时,苯的摩尔转化率为30%,而在有MnO2作催化剂时,苯的转化率可高达94%。KangM等[4]在常压下用等离子体TiO2催化体系去除初始浓度为1000mg/m3的甲苯废气,仅有O2等离子体没有TiO2催化剂时,甲苯去除率为40%;在TiO2/O2等离子体下,去除率达到70%;在O2等离子体中,TiO2负载于γ-Al2O3上时,甲苯的去除率达到80%。这些研究表明,利用等离子体与催化反应的协同效应,以提高有机废气净化率、降低能耗是成功的。