光解光催化廢氣處理用紫外線燈應(yīng)用技術(shù)探討
一、應(yīng)用原理
先說(shuō)一下關(guān)于紫外線
紫外線是電磁波譜中波長(zhǎng)從100nm(納米)到400nm輻射的總稱(chēng),其中波長(zhǎng)100nm到200nm的為真空紫外線(UV-D),波長(zhǎng)200nm到280nm為短波紫外線(UV-C),波長(zhǎng)280nm到315nm的為中波紫外線(UV-B),波長(zhǎng)315nm到400nm的為長(zhǎng)波紫外線(UV-A)。紫外線的波長(zhǎng)與能量成反比。波長(zhǎng)越長(zhǎng),穿透皮膚或空氣能力越強(qiáng)。波長(zhǎng)越短,能量越強(qiáng),越容易導(dǎo)致皮膚病變。UV-D無(wú)法在空氣中有效傳播,而波長(zhǎng)較短的UV-C則幾乎被臭氧層吸收,故自然界太陽(yáng)光中的紫外線,主要以UV-A和UV-B為主,其中UV-A約占98.1%,UV-B占1.1%。多說(shuō)幾句,UV-A可穿透皮膚表皮到達(dá)真皮,并對(duì)皮膚的表皮黑色素發(fā)生作用,從而引起皮膚黑色素沉著,使皮膚變黑。而UV-B幾乎無(wú)法穿透皮膚表皮,少量照射皮膚會(huì)促進(jìn)血液循環(huán),生成維生素D3,有保健作用,發(fā)射UV-B波段的紫外線燈也俗稱(chēng)保健燈,但當(dāng)能量較高的UV-B長(zhǎng)時(shí)間作用于皮膚時(shí),可發(fā)生光照性皮炎,皮膚上出現(xiàn)紅斑、癢、水皰、水腫等,而紫外線過(guò)量照射,還可引起皮膚癌。每天適量曬曬太陽(yáng),能補(bǔ)充鈣質(zhì),對(duì)人體是有益處的,一般一天曬15分鐘就足夠了,如果被紫外線過(guò)多輻射的話,就會(huì)損害人體的皮膚。除了曬黑曬傷皮膚,紫外線還會(huì)加速皮膚老化。短波紫外線燈利用汞原子特性在氣體放電時(shí)把汞蒸氣激發(fā)放射出254nm的UV-C和185nm的UV-D波長(zhǎng)的紫外線,UV-A和和UV-B是254nm的UV-C照射對(duì)應(yīng)的熒光粉發(fā)出的紫外線,順便提一下,短波UV-C目前被廣泛用于殺菌消毒功能產(chǎn)品,它放射的紫外線能量較大,如果沒(méi)有防護(hù)措施,極易對(duì)人體造成巨大傷害。如果裸露的肌膚被這類(lèi)紫外線燈照射,輕者會(huì)出現(xiàn)紅腫、疼癢、脫屑;重者甚至?xí)l(fā)癌變、皮膚腫瘤等。同時(shí),它也是眼睛的“隱形殺手”,會(huì)引起結(jié)膜、角膜發(fā)炎,長(zhǎng)期照射可能會(huì)導(dǎo)致白內(nèi)障。
再來(lái)說(shuō)一下廢氣部分
VOC(揮發(fā)性有機(jī)物)主要包括苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、三氯乙烯、三氯甲烷、三氯乙烷、二異氰酸酯(TDI)、二異氰甲苯酯等和揮發(fā)性惡臭氣體如不飽和烴(如丁二烯、苯乙烯)、氮化物(如氨、甲基胺、糞臭素)、硫化物(如硫化氫、硫化甲基)、氯烴(如氯仿)、含氧烴(如丙酮)、植物精油(如樟腦油)等化合物。
惡臭污染物質(zhì)大多是氣相污染物,主要由碳、氫、氧、氮、硫、鹵素等元素構(gòu)成。就化學(xué)結(jié)構(gòu)而言,臭味物質(zhì)分子多因具剩余電子,而有刺激人類(lèi)嗅覺(jué)的特性。
廢氣處理技術(shù)目前分為物理、化學(xué)、生物等三大類(lèi),一般可用單一技術(shù)或兩種以上技術(shù)組合來(lái)完成單一臭氣處理工作。常用的物理法是活性碳吸附或酸堿水洗噴淋,化學(xué)法是化學(xué)洗滌、焚化,生物法則包括生物洗滌、植物液噴灑、生物滴濾、生物濾床等,而在物理法除臭技術(shù)上,又研發(fā)出了等離子體法除臭。
而采用254nm波長(zhǎng)+185 nm波長(zhǎng)雙波段高效紫外線燈來(lái)處理廢氣在近兩年由國(guó)外傳至國(guó)內(nèi),目前在國(guó)內(nèi)也得到廣泛應(yīng)用。本質(zhì)一是應(yīng)用了紫外線燈UVD185納米波段和O2結(jié)合產(chǎn)生的O3臭氧來(lái)氧化還原反應(yīng)廢氣,二是利用185納米短波紫外線的高能量來(lái)裂解有機(jī)廢氣,三是利用254納米紫外線照射涂有TIO2的媒介產(chǎn)生-OH來(lái)氧化有機(jī)廢氣。
二、光解光催化廢氣處理的技術(shù)特點(diǎn):
1.高效除惡臭:
雙波段紫外線結(jié)合TiO2光解催化氧化設(shè)備能高效去除揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)、無(wú)機(jī)物、硫化氫、氨氣、硫醇類(lèi)等主要污染物,以及各種惡臭味,脫臭效果大大超過(guò)國(guó)家1993年頒布的(GB14554-93)惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)環(huán)保署公布的九大類(lèi)114種污染物均被證實(shí)可通過(guò)光解光催化氧化得到治理,即使對(duì)原子有機(jī)物如鹵代烴、燃料、含氮有機(jī)物、有機(jī)磷殺蟲(chóng)劑也有很好的去除效果。 2.適用范圍廣: 可適應(yīng)高、低濃度,大氣量,不同惡臭氣體物質(zhì)的脫臭凈化處理,可每天24小時(shí)連續(xù)工作,運(yùn)行穩(wěn)定可靠。 3.運(yùn)行成本低: 設(shè)備無(wú)任何機(jī)械動(dòng)作,無(wú)噪音,無(wú)需專(zhuān)人管理和日常維護(hù),只需作定期檢查,設(shè)備能耗低,設(shè)備風(fēng)阻極低<50pa,可節(jié)約大量排風(fēng)動(dòng)力能耗。其中TiO2催化劑的壽命是無(wú)限延長(zhǎng)的,無(wú)需更換。 4.科技含量高: 采用先進(jìn)的高級(jí)氧化技術(shù),突破單一體系的反應(yīng)局限,在整個(gè)反應(yīng)體系中,兩種氧化能力極強(qiáng)的氧化劑—O3和·OH參與反應(yīng)及185nm高能量紫外線直接裂解廢氣,使得脫臭效果更佳,惡臭氣體礦化程度更高,可無(wú)害化排放,無(wú)二次污染。 5.設(shè)備占地面積小,自重輕: 適合于布置緊湊、場(chǎng)地狹小等特殊條件;優(yōu)質(zhì)進(jìn)口材料制造,防水、防火、防腐蝕,使用壽命長(zhǎng)。 6.產(chǎn)品性能穩(wěn)定: 目前紫外線燈及專(zhuān)用高功率鎮(zhèn)流器技術(shù)成熟。為了日后方便維護(hù)檢修,每個(gè)鎮(zhèn)流器設(shè)置電源和工作指示燈,可根據(jù)指示燈排查燈管或整流器故障。根據(jù)反饋的不良現(xiàn)象只需更換燈管或鎮(zhèn)流器即可。
三、光解光催化三種技術(shù)的應(yīng)用原理
其中185nm波長(zhǎng)紫外線,也叫真空紫外線,原理如下:
其中的O3就是常說(shuō)的臭氧,它有極強(qiáng)的氧化性,目前廢氣處理用的光解紫外線燈主要是利于185nm紫外線持續(xù)和O2結(jié)合產(chǎn)生的臭氧來(lái)分解有機(jī)廢氣。
例如H2S的處理,硫化氫是強(qiáng)還原劑,O3是強(qiáng)氧化劑,它們的反應(yīng)是:
但為什么經(jīng)常很多客戶反饋剛開(kāi)始效果后越往后效果越差呢?
其實(shí)這個(gè)根本原因主要是來(lái)源于185nm紫外線的透過(guò)率和玻璃晶格變化和雜質(zhì)影響導(dǎo)至的衰減有直接關(guān)系!
面前市面上通常說(shuō)的光解紫外線燈即臭氧燈,選用的石英玻璃一般是羥基含量小于15PPM,雜質(zhì)含量小于50MMP,純度在99.9%的石英玻璃,這種材料用于一般的制作紫外線殺菌用途的紫外線燈是可以的,因?yàn)?54nm波長(zhǎng)的紫外線透過(guò)相對(duì)來(lái)說(shuō)要求沒(méi)那么高,但185nm真空紫外線的透過(guò)對(duì)材料要求就比較高,真正的高臭氧紫外線燈羥基含量小于5PPM(實(shí)際上接近于0),雜質(zhì)含量小于20MMP,純度在99.999%的石英玻璃,這種材質(zhì)的石英玻璃制作的紫外線燈比常規(guī)市面紫外線燈臭氧產(chǎn)出率高30%左右。這個(gè)還不是關(guān)鍵,主要是這種真正的高臭氧專(zhuān)用石英玻璃它在10000小時(shí)壽命期內(nèi)185nm紫外線的衰減只有20%,而常規(guī)有臭氧紫外線燈在點(diǎn)燈三四千小時(shí)185nm紫外線輸出衰減受玻璃材質(zhì)影響就近50%了!這才是越往后效果越不好的主要原因。
當(dāng)然,高純度高臭氧紫外線燈用石英玻璃比普通石英玻璃貴了一倍,并且要定制,由于市場(chǎng)混亂用戶不太清楚這個(gè)也是大部分廠家用不好的主要原因。
2.利用185nm波長(zhǎng)的高能量紫外線來(lái)打斷分子鍵
部分化學(xué)分子鍵的結(jié)合能
結(jié)合
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結(jié)合能(KJ/mol)
|
結(jié)合
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結(jié)合能(KJ/mol)
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H-H
|
436
|
C-H
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413
|
C-C
|
332
|
C-F
|
485
|
C=C
|
611
|
C-N
|
305
|
C≡C
|
837
|
C≡N
|
891
|
S-H
|
339
|
C-0
|
326
|
S-S
|
268
|
C=0(CO2)
|
728(803)
|
0=0
|
498
|
0-H
|
464
|
185nm波長(zhǎng)紫外線的光子能量高達(dá)647 KJ/mol,大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)的分子結(jié)合能比185nm波長(zhǎng)的的能量低,因此污染物質(zhì)分子鍵經(jīng)過(guò)185高能紫外線光能的裂解能被打斷,而大多數(shù)有機(jī)廢氣是C,H,O結(jié)構(gòu)的,且化學(xué)鍵小于185NM紫外線能量,所以能把這些有機(jī)廢氣在有O2的情況下分解成CO2和H02。
但是值得注意的是,185nm波長(zhǎng)紫外線是真空紫外線,一從燈管里出來(lái)就和O2結(jié)合產(chǎn)生了O3,所以他的“射程”極短,基本是在燈管表面或附近有少量強(qiáng)度,所以能通過(guò)185NM波長(zhǎng)紫外線打斷分鍵來(lái)處理的有機(jī)廢氣基本是能和燈管表面接觸或燈管近距離的一部分。
例:苯分子光解機(jī)理:
苯的分子結(jié)構(gòu)和分子鍵結(jié)合能:
苯是由氫原子(1s1) 和碳原子(1s22s22px12py1)構(gòu)成的
苯(benzene, C6H6)有機(jī)化合物,是組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的芳香烴,在常溫下為一種無(wú)色、有甜味的透明液體,并具有強(qiáng)烈的芳香氣味。苯可燃,有毒,為IARC類(lèi)致癌物。苯難溶于水,易溶于有機(jī)溶劑,本身也可作為有機(jī)溶劑。苯具有的環(huán)系叫苯環(huán),是簡(jiǎn)單的芳環(huán)。苯分子去掉一個(gè)氫以后的結(jié)構(gòu)叫苯基,用Ph表示。