汪俊

（蘇州科文環(huán)境科技有限公司 江蘇蘇州 215000）

1 反應(yīng)機理

1.1 UV光解機理

目前市場上應(yīng)用于揮發(fā)性有機物 （VOCs）處理的紫外（UV）燈管，是以波長185 nm和254 nm的紫外光為主，其機理主要分為UV直接、間接光解2個方面［1］：

（1）利用UV光產(chǎn)生不同能量的光量子直接轟擊廢氣中有機物質(zhì)的分子鍵，從而打斷物質(zhì)分子鍵，破壞分子結(jié)構(gòu)，達到去除的效果。此機理必須滿足光能的能量必須大于分子鍵能。

光能=對應(yīng)波長的波數(shù)×單位波數(shù)的能量；1波數(shù) （cm-1）=1.196264×10-2kJ/mol；波數(shù)=1/波長；

185 nm 光能=1/（185×10-7）×1.196264×10-2=647 kJ/mol

254 nm 光能=1/（254×10-7）×1.196264×10-2=471 kJ/mol

（2）利用UV光產(chǎn)生不同能量的光量子轟擊廢氣中的水份（H2O）和氧氣（O2）分子，從而將其解離為自由羥基（·OH）、臭氧（O3）等氧化劑，然后再利用氧化劑的強氧化性，間接的氧化分解、破壞廢氣物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，直至氧化分解為水（H2O）和二氧化碳（CO2），以達到處理的效果。

查表［2］：

H2O：O-H 鍵長 98 pm（皮米），鍵能 464 kJ/mol；O2：O=O 鍵長 120 pm（皮米），鍵能 498 kJ/mol。

可以看出，185 nm光能可以將廢氣中的水、氧氣光解為自由羥基（·OH）、臭氧（O3），254 nm 光能可以促進臭氧產(chǎn)生活性氧：

自由羥基（·OH）具有極強的氧化性，可以將廢氣中的有機物質(zhì)氧化分解為水和二氧化碳；常溫下臭氧極不穩(wěn)定，可分解成氧分子和活性氧，利用活性氧將廢氣中的有機物質(zhì)氧化分解為水和二氧化碳。

1.2 UV光催化氧化機理

UV光催化氧化是在UV光解的基礎(chǔ)上，通過增加催化劑與UV光的作用，從而高效地、更多地提升系統(tǒng)的強氧化性，使得在同樣的能耗下，達到更高的處理效果［1］。

納米TiO2是迄今為止研究和應(yīng)用最好的一種光量子載體，在大于其帶隙能（Ebg=3.2 ev），波長387.5 nm光照下，表面發(fā)生電子躍遷，TiO2表面“價電帶電子（e-）”躍遷到“導電帶”上成為活性電子，產(chǎn)生光電流，并使TiO2表面產(chǎn)生缺電子的正電空穴（h+）；反應(yīng)式如下：

通過瞬間產(chǎn)生的（h+）和（e-），從而形成了TiO2的光催特性。

（1）負電電子具有氧化性，正電空穴具有還原性。因而在UV光照之下，利用電子產(chǎn)生的氧化性與TiO2表面的H2O/OH-反應(yīng)產(chǎn)生具有更強氧化性的自由羥基（·OH）：

自由羥基（·OH）具有極強的氧化性，比臭氧等典型氧化劑的氧化能力強，幾乎可以將所有構(gòu)成有機物分子的化學鍵切斷分解。因此，當自由羥基（·OH）遇到廢氣中有機物質(zhì)時，會將其氧化分解為水和二氧化碳。當無有機物存在時，氧化反應(yīng)將不會進行，自由羥基（·OH）會聚合成為水和氧。

（2）正電空穴則與TiO2表面的氧分子（O2）反應(yīng)生產(chǎn)超氧離子（·O2-）。超氧離子可與水進一步反應(yīng)，生成過羥基（·OOH）和雙氧水（H2O2）：

超氧離子（O2-）具有較強的氧化能力，當它遇到廢氣中有機物質(zhì)時，會將其氧化分解水和二氧化碳。

從上可以看出，除了自由羥基氧化外，再加上·O2-、·OOH、H2O2活性氧化類物質(zhì)的協(xié)同作用，可以更加有效地將廢氣中的有機物質(zhì)氧化為水和二氧化碳。

2 應(yīng)用范圍

UV光解主要是以利用光能將廢氣物質(zhì)的分子鍵斷開，破壞分子結(jié)構(gòu)，并不是把廢氣物質(zhì)分解為無毒無害的二氧化碳和水。

在除臭方面，臭氣成分的分子鍵一般為C-S鍵272 kJ/mol、C-N 鍵 305 kJ/mol、N-H 鍵 389 kJ/mol等，均小于 254 nm UV光471 kJ/mol的能量，故可以直接利用UV光打斷分子鍵，改變臭氣分子結(jié)構(gòu)，去除臭味。

對于VOCs的治理上，UV光解只是將廢氣中VOCs的分子鍵斷開，變?yōu)樾》肿拥腣OCs，并不能消除VOCs，此時就需要利用UV光與催化劑作用，將廢氣中的水份、氧氣裂解為強氧化劑，通過強氧化劑的作用，間接將廢氣中的VOCs最終氧化為二氧化碳和水，同時也能夠進一步破壞臭氣分子結(jié)構(gòu)，以達到消除臭味的效果。

因此，可以看出UV光解與UV光催化氧化，其應(yīng)用范圍大致一樣，都可應(yīng)用于除臭、VOCs治理。只不過UV光解大多應(yīng)用于臭氣，對低濃度VOCs廢氣處理也有一定功效；而UV光催化氧化是UV光解的加強版，可以利用催化劑的作用產(chǎn)生更多的強氧化劑，以達到更加高效的處理相對較高濃度的VOCs廢氣。

3 影響因素

3.1 光源

光源的選擇由光源產(chǎn)生光量子的能量大小決定，其至少應(yīng)滿足以下條件之一：①大于廢氣物質(zhì)的分子鍵能量，直接利用光能打斷廢氣物質(zhì)的分子鍵；②大于水分子鍵能464 kJ/mol、氧分子鍵能498 kJ/mol，將水、氧氣解離為氧化劑臭氧和自由羥基，利用其強氧化性分解廢氣物質(zhì)；③在有TiO2催化劑輔助作用下，大于催化劑的帶隙能（Ebg=3.2 ev，相當于波長387.5 nm的光子能量），利用其表面電子躍遷過程，將廢氣中的水、氧氣解離為自由羥基和超氧離子，利用其強氧化性分解廢氣物質(zhì)。

一般可見光的波長380～780 nm之間，而紫外光波長在10～380 nm之間，肉眼看不到，其波段光源恰好可以滿足所需光源要求，故光解、光催化氧化的光源基本都是采用紫外光（UV）。

現(xiàn)用于VOCs治理上的紫外燈管，以發(fā)射254 nm和185 nm波長為主。

3.2 光照強度

UV燈管的光照強度主要與發(fā)光源的光照能量和能量轉(zhuǎn)化效率有關(guān)，光照能量的大小則由燈管的功率大小決定。

現(xiàn)市場普遍常用的燈管功率多為150 W/根，依據(jù)燈管廠家提供的檢測數(shù)據(jù)，質(zhì)量較好的真空紫外燈，其光電轉(zhuǎn)化效率為：185 nm紫外發(fā)光量為8%，254 nm紫外發(fā)光量為30%。依此可以計算出每根150 W燈管，185 nm、254 nm的紫外燈能量分別為43.2和162 kJ。

后續(xù)可以利用VOCs的濃度、風量、去除效率計算出所需去除的污染物量，即可推算出所需的光照強度。但此光照強度的大小完全是利用光能對VOCs的處理，未考慮光與催化劑作用產(chǎn)生的強化劑效用，其過程比較復雜，測算難度較大，需要進行相關(guān)理論計算和大量實驗進行驗證。

3.3 溫度、濕度

使用環(huán)境的溫度升高，直接影響燈管表面溫度，會導致燈管轉(zhuǎn)換效率直接下降。而使用環(huán)境的濕度越高，水份越多，就越有利于UV光產(chǎn)生更多的自由羥基，從而可以提升VOCs的處理效果；但如果水份過多，也會造成活性自由基與水發(fā)生反應(yīng)，造成效果降低。

根據(jù)相關(guān)實驗數(shù)據(jù)驗證，燈管表面溫度不宜超過100℃，廢氣濕度不宜超過80%。

3.4 風速、停留時間

風速大小決定了廢氣物質(zhì)在某個截面/點的反應(yīng)時間，停留時間決定了廢氣物質(zhì)在某個體積容積里的反應(yīng)時間。因此，對于光解、催化劑電子躍遷發(fā)生位置為固定點，風速越快，與固定點的接觸時間越短；對于自由羥基、臭氧等氧化劑，是與廢氣物質(zhì)進行的混合接觸反應(yīng)，其反應(yīng)與位置關(guān)系不大，只要混合越充分、越均勻，反應(yīng)效果則越好。

根據(jù)對甲苯的實驗數(shù)據(jù)，停留時間在2～5 s以內(nèi)，其去除效率大約在40%左右波動，比較穩(wěn)定；停留時間在5～13 s時，去除效率可從45%提升至65%；之后隨時間的延長，甲苯去除效率增加不明顯。

3.5 光衰

光衰主要存在2個方面：①在空氣中光照隨著距離越遠，其能量也會下降；②隨著光源燈管的使用時間增長，其本身也會衰減。

因此在設(shè)備設(shè)計時，需考慮燈管之間的布排距離，燈管與催化板之間的距離，以及催化劑載體與光源的接觸面積等；在設(shè)備運維時，還要依據(jù)燈管的壽命時限，定期更換。

4 結(jié)語

任何一種VOCs廢氣處理工藝都有其局限性，對于UV光解或光催化氧化來說，除了一些上述技術(shù)上的影響因素外，其在應(yīng)用上也是存在一定局限性。

首先，在能耗上，以甲苯為例，按10 000 m3/h風量，去除濃度50 mg/m3計（即0.5 kg/h的去除量），用電功率需要11 kW左右；在相同風量的情況下，去除的濃度越高，使用的電功率越大，故而導致能耗的增加；在設(shè)備功率增加的同時，發(fā)熱量也會增加，導致設(shè)備內(nèi)部溫度過高而影響處理效果。考慮到溫度的影響，大多按每萬風量配置30～50根燈管，為此可以推算出，UV光催化氧化設(shè)備大多應(yīng)用于VOCs去除濃度在35 mg/m3左右的廢氣處理上，適用濃度較低。

其次，針對污染因子方面，設(shè)計前應(yīng)能確定其主要成分的分子結(jié)構(gòu)，否則一是很難準確的設(shè)計計算出設(shè)備所需的功率大小；二是由于分子鏈長短不一，導致同濃度下，分子鏈長的能耗大于分子鏈短的污染物。

因此，無論使用哪種VOCs處理工藝，都應(yīng)全面了解污染源的基本情況，分析選擇工藝的適用性，從技術(shù)、經(jīng)濟角度全面考慮，在達成目標的情況下最經(jīng)濟可靠，從而為環(huán)境治理做出應(yīng)有的貢獻。