紫外光氧化/光催化基于單項技術(shù)的設(shè)備與產(chǎn)品
01概述
紫外光（Ultraviolet light，UV）氧化技術(shù)是一種利用紫外光處理廢氣新型氧化技術(shù)。
技術(shù)原理：在高能紫外線的照射下，吸收光子形成激發(fā)態(tài)分子，當(dāng)激發(fā)態(tài)分子能量大于化學(xué)鍵能時，發(fā)生化學(xué)鍵斷裂等多種光化學(xué)反應(yīng)；同時，高能紫外線照射空氣中的氧氣和水分子激發(fā)生成臭氧和羥基自由基（OH）等強氧化劑（形成UV/O3激發(fā)氧化體系），轟擊VOCs分子發(fā)生氧化分解，將其徹底氧化為無機小分子物質(zhì)。根據(jù)光化學(xué)第一定律（格羅塞斯-德雷帕定律）可知：只有當(dāng)激發(fā)態(tài)分子能量足夠使分子內(nèi)的化學(xué)鍵發(fā)生斷裂時，即光子能量大于化學(xué)鍵能時，才能引發(fā)光解反應(yīng)。同時，為使分子能產(chǎn)生有效的光化學(xué)反應(yīng)，光還要被所作用的分子吸收，即分子對某特定波長的光要有特征吸收光譜，才能產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)。
根據(jù)作用方式的不同可把光解分為直接光解和間接光解，間接光解又可分為光敏化氧化、光催化氧化和光激發(fā)氧化。
直接光解：待處理的有機物或者其他物質(zhì)直接受到UV光照射而被分解，分解程度與光照波長、污染物特性以及環(huán)境條件有關(guān)。許多VOCs可在特定波長的UV光照射下被直接光解，不同種類的有機物由于其分子結(jié)構(gòu)和取代基特性使得其被直接光解的難易程度也不同，當(dāng)UV光的能量能夠打斷污染物的分子鍵能時，大部分機物可以被直接光解。如在185nm的UV光照下氯苯可以直接脫去氯原子、乙苯會脫去乙基等，并且結(jié)構(gòu)中基團數(shù)量的增多將會增加這些物質(zhì)對于直接光解作用的敏感程度。
光敏化氧化：UV光照射于反應(yīng)介質(zhì)中的其他物質(zhì)（光敏物質(zhì)），然后由這些物質(zhì)將能量傳遞給待處理的污染物，而使其得到分解。常見的光敏化物質(zhì)有Fe3+、Fe2+、腐殖酸、四吡咯類物質(zhì)、四羥酮醇、多環(huán)芳香烴化合物等，有的通過吸收光能后轉(zhuǎn)變成更高價態(tài)的氧化態(tài)，有的則能夠產(chǎn)生氧自由基來降解污染物。一些研究還表明，在某些情況下這些光敏化物質(zhì)可以使反應(yīng)速率增加20至60倍。光敏化氧化雖然在處理有機廢水中有顯著效果，但由于大部分光敏化劑在氣相條件下無法穩(wěn)定地吸收能量及傳遞能量，致使其在氣相光解反應(yīng)中的運用還很少。
光催化氧化：在光解反應(yīng)中加入催化劑，使得光解效率增加，甚至在低能量的UV光下都有很高的降解效率。由于光催化反應(yīng)的條件非常溫和，因此能在常溫下降解多種室內(nèi)典型有機污染物，如丙酮、苯、甲苯、乙酸等。常見的光催化劑中屬TiO2的催化效果最佳，在TiO2摻雜多種金屬元素（鉑、釩、鑭等）可以大大提髙其催化效果。光催化氧化主要依靠催化劑在吸收光能后產(chǎn)生氧化性極強的光電子空穴從而降解有機物。光催化氧化雖然可以利用較低能量的UV光降解污染物，但也存在著諸多問題，最主要是催化劑失活。大部分催化劑參與光解反應(yīng)一定時間后，催化劑都會出現(xiàn)或多或少的失活現(xiàn)象，使得光解效率開始下降。有研究表明如果缺少水分子，催化劑會發(fā)生永久失活的現(xiàn)象，因為催化劑表面的OH—旦被消耗完則無法再生，所以相對濕度對于光催化氧化也是一個很重要的因素。還有其他的研究指出催化降解的反應(yīng)動力學(xué)常數(shù)較小，反應(yīng)速率難控制，光催化氧化的反應(yīng)速率隨著壓力的減小而增大。
光激發(fā)氧化：光激發(fā)氧化是間接光解中最重要的一種，即UV光照射反應(yīng)介質(zhì)中的某些物質(zhì)如H2O、O2、H2O2分子等，產(chǎn)生氧化性極強的激發(fā)態(tài)物質(zhì)。如OH、O，這些氧化性極強的自由基與VOCs發(fā)生強烈的反應(yīng)從而使VOCs分解礦化。其中屬OH具有極高的氧化電位（2.80 eV），氧化能力非常強，與大多數(shù)有機污染物都可以發(fā)生快速的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，無選擇性地把有害物質(zhì)最終氧化成CO2、H2O或小分子物質(zhì)。
特點：與傳統(tǒng)的VOCs處理方法相比，UV光氧化技術(shù)是一種新型高效的揮發(fā)性有機物處理技術(shù)。由于UV光具有的能量可斷開大部分化學(xué)鍵，并且反應(yīng)條件比較溫和，能在常溫常壓下進(jìn)行，無需進(jìn)行特殊的加熱、加濕等預(yù)處理，反應(yīng)過程快速高效，運行成本也相對較低，可應(yīng)用于各種難降解VOCs的治理。與液相UV光解相比，氣相UV光解則更具優(yōu)勢：空氣吸收UV光的量相對水較少；光解離物質(zhì)具有高遷移率，能阻止活性基團的再結(jié)合；有機物在氣相狀態(tài)下對UV光的吸收率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液相；氣相中過量氧氣的存在可以產(chǎn)生如臭氧等繼續(xù)反應(yīng)的物質(zhì)；氣相反應(yīng)體系中不存在碳酸鹽和碳酸氫鹽等物質(zhì)的干擾，使得有機物對UV光能的吸收作用更強，自由基產(chǎn)率更高，氧化速率更快?；谏鲜鰞?yōu)點，UV光解正日益在低水溶性、難降解VOCs類廢氣的治理中得到重視。但是將單一的UV光解法作為VOCs廢氣的凈化工藝在技術(shù)上并不可靠，其主要局限在于UV光難以將VOCs進(jìn)行徹底的降解，而且在的光氧化過程中易產(chǎn)生一些對健康和環(huán)境有毒害的反應(yīng)副產(chǎn)物。如果要對所有的反應(yīng)中間產(chǎn)物進(jìn)行去除，將增大光化學(xué)反應(yīng)器體積或降低處理負(fù)荷，但這在經(jīng)濟上并不合算。在光解反應(yīng)器的設(shè)計、不同物質(zhì)氧化過程的基本原理及動力學(xué)等方面尚需進(jìn)行深入研究。
適用范圍：以國家有關(guān)部門規(guī)定的適用范圍為準(zhǔn)。
02紫外光催化/光氧化相關(guān)設(shè)備
設(shè)備（產(chǎn)品）概述：紫外光催化/光氧化設(shè)備主要包括紫外箱體，紫外燈，控制柜，催化板。紫外箱體有碳鋼箱體和不銹鋼箱體。紫外燈分為有極紫外燈和無極紫外燈。有極紫外燈包括185 nm和253.7 nm雙波段紫外燈和253.7 nm單波段紫外燈?？刂乒瘢嚎刂乒癜ㄗ贤鉄翩?zhèn)流器和散熱扇。鎮(zhèn)流器是紫外燈中起限流作用和產(chǎn)生瞬間高壓的設(shè)備，主要用于點亮紫外燈。催化板：包括催化劑及其載體。目前最常用的光催化劑是TiO2，常用載體有泡沫鎳，活性炭，分子篩等。

設(shè)備（產(chǎn)品）說明：目前應(yīng)用最多的紫外燈（UV燈）是低壓汞燈，利用低壓汞蒸汽（1.3~13Pa）被激發(fā)后發(fā)射紫外線。185nm和253.7nm雙波段紫外燈和253.7nm單波段紫外燈的區(qū)別在于紫外石英燈管的材質(zhì)不同。253.7nm紫外燈的燈管都采用石英玻璃制作，石英玻璃對紫外線各波段都有很高的透過率達(dá)80%-90%，是制作253.7nm紫外燈的最佳材料。普通的石英玻璃185nm的紫外光透過率不高，因此185nm和253.7nm雙波段紫外燈是用摻雜有特殊材料的合成石英作為燈管。紫外燈有熱陰極低壓汞蒸氣放電燈、冷陰極低壓汞蒸氣放電燈等幾種結(jié)構(gòu)，可按外型和功率分為多種類型。有極紫外燈是目前光解光催化處理廢氣常用的紫外燈，見圖16其優(yōu)點在于：工作性能穩(wěn)定，能夠24小時不間斷運行；壽命長，在185nm紫外發(fā)光效率不低于9%的情況下，有極紫外燈壽命可達(dá)12000小時以上；可生產(chǎn)大功率產(chǎn)品，大功率的紫外燈照度強，更有利于降解有機廢氣；光電轉(zhuǎn)化效率高。
無極紫外燈，由微波發(fā)生器、石英燈管和透明石英窗口組成。其發(fā)光過程可以簡單地劃分為4個階段：微波發(fā)生器將其產(chǎn)生的2450MHz的電磁波耦合到石英燈管中；燈內(nèi)惰性氣體原子（如Ar）被激發(fā)；處于激發(fā)態(tài)的惰性氣體原子與汞原子相碰撞產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，汞原子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)；處于激發(fā)態(tài)的汞原子并不穩(wěn)定，返回到基態(tài)的同時產(chǎn)生光輻射。無極紫外燈理論壽命可達(dá)60000小時，而目前大功率電子鎮(zhèn)流器技術(shù)還沒有獲得根本突破，在高溫環(huán)境下，無極紫外燈的鎮(zhèn)流器壽命較短。目前技術(shù)條件下，無極燈實際壽命不足8000小時。同時，無極紫外燈發(fā)熱嚴(yán)重，意味耗電更多，光電轉(zhuǎn)化效率偏低。但是未來解決無極紫外燈的鎮(zhèn)流器問題，無極紫外燈會有廣泛的應(yīng)用。
TiO2催化劑優(yōu)點有廢氣中幾乎所有的有機物可被完全降解成CO2，H2O等，無機污染物被氧化或還原為無害物；不需要另外的電子受體；合適的光催化劑具有廉價無毒，穩(wěn)定及可重復(fù)利用等優(yōu)點；結(jié)構(gòu)簡單，操作容易控制，氧化能力強，無二次污染；原料來源豐富，廉價；光催化活性高（吸收紫外光性能強;禁帶和導(dǎo)帶之間能隙大；光生電子的還原性和空穴的氧化性強）。
MnO2催化劑特點為在常溫下，MnO2催化分解臭氧有效率高、能耗小、無二次污染等特點，這樣既消除了臭氧對環(huán)境的污染，又提高了光催化氧化降解有機廢氣的效率，因而這一技術(shù)在廢氣凈化領(lǐng)域?qū)泻芎玫膽?yīng)用前景。
泡沫金屬是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)含有很多孔隙的新型功能材料，泡沫鎳（如圖4）內(nèi)部成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，其密度小、孔隙率大、比面積大從而使其具有非泡沫金屬所沒有的特性，例如，阻尼性能好，流體透過性強，熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率低等特性。由于上述特性，泡沫鎳適合作為廢氣催化劑的載體。
蜂窩活性炭具有比較面積大，微孔結(jié)構(gòu)，高吸附容量，高表面活性炭的產(chǎn)品，在空氣污染治理中普遍應(yīng)用。蜂窩活性炭本身就能吸附廢氣，即廢氣與具有大表面的多孔性活性炭接觸，廢氣中的污染物被吸附分解，從而起到凈化作用。使用蜂窩活性炭作為MnO2催化劑就更能體現(xiàn)蜂窩活性炭的特點，使廢氣充分與催化劑接觸，催化效率高，但是活性炭使用壽命不長，催化劑在其表面易脫落，因此要用于商業(yè)應(yīng)用還需進(jìn)一步研究。
光催化氧化設(shè)備對于廢氣的前處理要求較高，尤其對對廢氣的溫度、濕度及顆粒物濃度都有要求。廢氣濕度太高，水蒸氣會阻擋紫外線的傳播，同時，水蒸氣會吸收紫外光，進(jìn)而影響紫外降解廢氣的效率。在顆粒物濃度過高的工況中，紫外設(shè)備長期運行后。顆粒物會附著在紫外燈管表面，紫外光會被完全遮擋，因此紫外燈需要定期維護。廢氣溫度高會影響紫外燈的光電轉(zhuǎn)化效率，一般紫外燈的最佳工作溫度在10 ~ 35 ℃。因此，當(dāng)環(huán)境條件含塵含水量較高時，有機廢氣進(jìn)入紫外光催化氧化設(shè)備，前端需設(shè)置除塵除霧裝置。
來源：VOCs前沿