微气泡深度氧化技术治理VOCs的工艺原理与设计_刘涛.pdf

场景88微气泡深度氧化技术治理VOCs的工艺原理与设计文_刘涛1 胡杨1 刘雅静21 青岛市环境保护科学研究设计有限公司 2 山东省青岛生态环境监测中心摘要：本文介绍了用于治理 VOCs 的微气泡深度氧化技术，并对其深度氧化原理进行了研究分析，从臭氧特性、臭氧制备、臭氧自分解及臭氧的直接氧化角度做了阐述，对该项技术与设备中的设计要点进行了研究，使其能够有效处理废气中的 VOCs，为进一步推广和应用该技术提供了理论依据。关键词：微气泡深度氧化技术；VOCs 治理；臭氧Principle and design of micro bubble deep oxidation technology for treating VOCsLIU TaoHU YangLIU Ya-jing Abstract This paper introduces the microbubble deep oxidation technology used to treat VOCs,and studies and analyzes its deep oxidation principle.From the perspective of ozone characteristics,ozone preparation,ozone self decomposition and direct oxidation of ozone,the design points of this technology and equipment are studied,so that it can effectively treat VOCs in exhaust gas,providing a theoretical basis for further promotion and application of this technology.Key words analysis of microbubble deep oxidation technology;VOCs treatment1 臭氧特性臭氧(O3)是一种氧气的同素异形体，常温下的溶解度是氧气的 10 倍。熔点为-192.5，沸点-111.9，标准状态气体密度 2.144kg/m3。臭氧在酸性的液体的氧化电势（还原电位）为 2.07V，自然界中仅次于 2.87V（氟），是目前普遍使用的氧化剂中最具氧化能力的一种。且臭氧氧化后的产物为氧气，无二次污染，在农业、食品加工业、工业、环保治理行业均有广泛的应用。臭氧还同时具有氧化能力强、氧化速度快、获取途径易、无二次污染等优点。在常温常压条件下，臭氧的氧化还原电势可达 2.07，是一种很强的氧化剂。通过加入配合药剂或控制手段，可高效氧化如农药、洗涤剂、芳香类物质、卤代烃等等，去除浓度从几十至几百均可。臭氧性质活泼，无法长期储存，故臭氧发生器的研究也较为成熟。目前，市面上流行的臭氧发生方法有电化学法、电晕放电法、光化学法、原子辐射法等，其中电晕放电法最为成熟。市面上已有成熟的臭氧发生器，可以采购使用，相应的设备均具有可移动，操作可控，使用简易的特点。因为臭氧是氧分子上再携带一个的氧原子，所以只能暂时存在，多的氧原子被氧化后，剩下的就会变成氧，变成一个稳定的氧气。因此，在使用臭氧时不会产生二次污染，是其最大的优势。2 臭氧的制备2.1 常见化学氧化剂活泼非金属中性分子 Cl2、O2、O3、H2O2、ClO2等；含氧酸根及高价金属离子如 ClO-、MnO42-、Cr2O7-、Fe3+等；新生态 O 原子。2.2 放电法目前常用的有化学法、电解法、紫外光法、放电法等。在工业上一般采用无声放电法，其工作原理是在两个平行的高电压电极间，用一种介电体（亦称为诱电体，一般为特殊的玻璃材质），并维持一定的放电空间；当通入5000 17500V的高压交流电源时，产生了一种均匀的蓝紫色电晕放电，在经过净化、干燥的气体或氧进入放电间隙，氧分子受到高能电子的刺激而产生能量，并与其他气体发生碰撞，形成臭氧分子。每公斤的臭氧消耗大约 20 30kW。2.3 电解法近年来，国内外主要采用电解方法来生产臭氧。其基本原理是利用低压直流电将水电解，在特殊的阳极界面上进行氧化，从而生成臭氧。在电解过程中，臭氧析出在阳极，氢在阴极析出。由于其产生的臭氧浓度高，不含任何有害的氧化氮，因此已在我国有广泛的发展和生产。3 臭氧直接氧化3.1 环加成反应O3分子因其偶极性而与不饱和键发生反应，从而发生键断裂。例如，臭氧首先与烯烃进行1,3-偶极环加成，形成一种不稳定的1,2,3-三氧五环，重排后能形成一种相对稳定的1,2,4-三氧五环。反应完成后，用还原剂（例如二甲硫醚、三苯基膦等）进行处理，二次臭氧基 B 即分解为两个分子的醛（或酮）。3.2 亲电反应在芳烃类电子云浓度高的部位，存在着-OH、-NH2等的推电子基，提高了芳烃的邻位和对位碳原子的电子云浓度，89从而提高了反应的活性。相反，-COOH、-NO2等的拉电子，使芳族化合物总体上的电子云平衡，对 O3的反应缓慢，这时主要是对间位的攻击。O3会攻击邻位或对位羟化中间产物，使其更容易被氧化，从而生成醌类化合物，并生成具有羰基和羧基的脂族化合物。3.3 亲核反应亲核反应的作用机制与亲电作用相反，O3中带有负电荷的氧会袭击包含拉电子的碳。总之，O3的作用具有选择性，仅限于不饱和芳香化合物，不饱和脂肪族化合物，以及某些具有高反应活性的官能团。通常，O3与未被分离的有机物相比，与未被分离的有机物相比，O3更易于与单一的取代基反应。4 微气泡深度氧化技术设计中深度氧化设计要点分析臭氧氧化派生出许多的深度氧化技术，如O3/H2O2、O3/UV/TiO、O3/H2O2/Fe2+等，通过加入催化剂或促进剂，或是控制氧化进程的手段，使得臭氧的氧化速度大大提升，基本上都是促进臭氧间接反应（自由基反应）。微气泡深度氧化技术首创采用气液非均相系统来作为废气处理的环境，并重点实现以下 2 点：创新性地研究出气相（臭氧、废气）、液相（循环水体）非均相的反应系统，一方面利用臭氧在水中的自分解和催化，实现氧化效率的提升；另一方面部分VOCs及氧化后的中间产物在水中停留，争取到更多的反应时间。研究得出臭氧在此条件下的反应促进剂和催化剂，提升臭氧反应效率的同时，增加系统中自由基的产生，利用自由基的无选择性和快速反应特性，实现深度氧化、分解废气有害成分的目标。5 微气泡深度氧化技术优缺点及应对5.1 优点（1）微气泡深度氧化技术（HBDO）预处理要求低多数废气含有颗粒物，对比吸附工艺，HBDO 技术因利用液相进行废气处理，且在水体中存在一定的杂质并不影响使用，且通过清洁和换水很容易将颗粒物等杂质排除。尤其是喷涂类废气中含有较多的漆雾，吸附工艺要求漆雾、颗粒物预处理达到 99%以上的效率，不然对吸附材料会导致不可逆的损坏和失效。因此，HBDO 技术对废气预处理的要求低，是实际运用中一个重要的优势。（2）HBDO 安全性高HBDO 技术及设备在常温、常压下进行废气的处理，具有很高的安全性。而 RCO/RTO 存在高温的情况，一方面在热氧化的同时存在燃爆的风险；另一方面高温工况的存在对设备的稳定性要求更高，不然始终存在安全的风险。（3）HBDO 适用范围广多数情况下，废气具有成分复杂的情况，不同成分的废气成分具有不同的饱和气压、沸点以及化学特性。如苯乙烯为代表的物质在光照情况下会自然发生聚合反应，导致在吸附后不能脱附；如沸点高或饱和气压高的物质，在吸附后，通过100左右的水蒸汽或热空气、200左右的热氮气无法脱附出来，也会导致吸附材料的吸附性能不可逆；如含卤元素和硫元素的废气会导致 RCO 催化剂失活，燃烧后产生酸雾等；如油脂类物质高温挥发出的废气在燃烧后会产生焦油，导致设备故障、运行效率降低等。而 HBDO 技术主要参与氧化的物质为羟基自由基，羟基自由基对各类有机气体和硫化氢、氮氧化物等无机气体均具有很高的反应速率，因此 HBDO 技术具有很广的适用范围。5.2 缺点（1）废水问题HBDO 的主要缺点为产生少量废水，120000m3/h、14000m3/h 风量处理设备系统中含循环用水 1214t，一般每月更换一次，可通过配套的废水处理设备处理后回用。（2）臭氧排放问题设备中有臭氧气体的加入，臭氧本身非常容易分解，且在系统中具有促进臭氧快速分解和反应的促进剂，在设备排放口可实现基本无臭氧泄露。（3）水体防冻问题经实验，应系统中水体中存在盐分和有机物，在-5以上温度不会结冰，系统在运行过程中不会结冰。如设备在室外长时间不用、且温度低于 5，建议添加升温装置（安装暖气盘管）或增加保温措施（安装围蔽），或在长期不使用设备的情况下，排出系统中的水。6 结语通过在微气泡深度氧化技术中采用 O3为氧化剂，以气相、液相非均相的反应系统，在提高氧化效率的同时，可以有效增加反应时间，实现深度氧化、分解废气有害成分的目标，有效处理废气中的 VOCs，改善大气环境质量。参考文献1 徐仁杰,寿成伟,等.臭氧氧化有机小分子反应研究进展 J.化工生产与技术,2021,27(03):16-20+30+51.2 杨明霞,高靖俪,陈建华,等.臭氧催化剂催化机理及其制备研究进展 J.石油化工应用,2021,40(08):17-20.3 姜智超,张玉凤,陈川.臭氧氧化直接生成锰氧化物处理含铊废水 J.水处理技术,2021,47(01):64-68+77.4 杜明辉,王勇,等.臭氧微气泡处理有机废水的效果与机制 J.化工进展,2021,40(12):6907-6915.作者简介刘涛（1986-）,男,本科学历,中级工程师,从事环境保护工程工作。