UV光解處理有機(jī)廢氣的技術(shù)原理

 

一、UV光簡介

 

咱們平常常見的白色太陽光，實(shí)踐上是由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種單色光組成的。其間可見光處在波長380-780nm之間（有的說400-800nm）。紫外光是電磁波譜中波長從10~380nm輻射的總稱，肉眼是看不到的。

 

紫外光開始于可見光的短波極限，而與X射線的長波波長相堆疊。紫外光可劃分為長波（UVA，315～380nm）、中波(UVB，280～315nm)、短波(UVC，200～280nm)、真空紫外(UVD，10～200nm)4個(gè)波段，相應(yīng)的源別離稱之為長波、中波、短波和真空紫外光源。

 

二、紫外光源

 

紫外光源是以發(fā)生紫外輻射的的非照明用光源。紫外光源具有熒光效應(yīng)、生物效應(yīng)、光化學(xué)效應(yīng)和光電效應(yīng)，適用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、***防和醫(yī)療等***域。

 

紫外光源主要有紫外線高壓汞燈（～365nm）、低壓汞燈(～254nm和185nm)等等。低壓汞燈是運(yùn)用較低汞蒸汽壓（<10-2Pa）被激化而宣布紫外光，其發(fā)光譜線主要有兩條：一條是254nm波長；另一條是185nm波長，這兩條都是肉眼看不見的紫外線。

 

因?yàn)樽贤饩€無法經(jīng)過一般玻璃，因而有必要運(yùn)用石英玻璃，并且是高純度的石英玻璃，對(duì)雜質(zhì)含量要求十分高。假設(shè)在石英玻璃中含有鈦元素，對(duì)200nm以下的紫外線具有截止作用，而對(duì)254nm紫外線透過基本無影響。運(yùn)用這個(gè)原理，可以經(jīng)過操控鈦元素的增加量，可有用的操控185nm紫外線的逸出（經(jīng)過）量。因?yàn)?85nm的紫外線可以激起空氣中的氧氣生成臭氧（O3），因而經(jīng)過改動(dòng)石英玻璃的功能，操控臭氧發(fā)生量，以制造低臭氧(無臭氧)、臭氧、高臭氧等三種紫外燈管。

 

三、光子能量與化學(xué)鍵鍵能

 

光子能量計(jì)算公式為：E(能量)=h(普朗克常數(shù))×H(頻率)，可將計(jì)算公式簡化為E=1240/λ（λ為光波長，nm），光子能量可以依照這個(gè)簡略公式來計(jì)算，光子波長越短其能量越高。100nm光子能量為12.4eV；200nm光子能量為6.2eV；300nm光子能量為4.1eV；400nm光子能量為3.1eV。

 

為揮發(fā)性有機(jī)物中常見的化學(xué)鍵的鍵能，一起增加了氧氣（O2）的鍵能。從表中可以看出，C-N和C-S鍵的鍵能較低，簡略開裂。氧氣（O2）中的O=O的鍵能為5.16eV。當(dāng)紫外光的光子能量***于化學(xué)鍵鍵能時(shí)，紫外光光子可以損壞化學(xué)鍵。因?yàn)镃-N和C-S鍵的鍵能較低，因而任何波長的紫外光都可以解離C-N和C-S鍵。而O2中O=O鍵的鍵能為5.16eV，對(duì)應(yīng)的紫外光波長為240nm，理論上波長小于240nm的紫外光，可以解離氧氣分子生成氧原子。氧原子再與氧分子結(jié)合生成臭氧（O3），這也是為什么185nm紫外光可以生成臭氧，而254nm紫外光不生成臭氧的原因。

 

四、紫外光消除VOCs和惡臭

 

早年面的剖析可知，當(dāng)紫外光照耀VOCs時(shí)，假設(shè)紫外光波長在240nm以上，那么無法激起氧氣生成臭氧，但能激起鍵能較低的C-N和C-S鍵，也可以使之解離。可是紫外光波長小于240nm時(shí)，不但能激起氧氣生成臭氧，還能對(duì)鍵能較高的化學(xué)鍵起到激起和解離作用。假設(shè)化學(xué)鍵得到激起，那么有機(jī)物分子變的更為生動(dòng)，使得簡略進(jìn)一步氧化。

 

當(dāng)時(shí)紫外光在VOCs和惡臭消除***域有著廣泛的使用，與UV光相關(guān)技術(shù)有UV光解氧化技術(shù)、光催化技術(shù)、臭氧氧化技術(shù)，詳細(xì)如下：

 

1.光催化技術(shù)

 

光催化劑是在光的照耀下，本身不起改變，卻可以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)。光催化劑是運(yùn)用光能轉(zhuǎn)化成為化學(xué)反應(yīng)所需的能量，來發(fā)生催化作用，使周圍之氧氣及水分子激起成極具氧化力的OH-及O2-自在負(fù)離子。簡直可分化一切對(duì)人體和環(huán)境有害的有機(jī)物質(zhì)?，F(xiàn)在作用較***的是二氧化鈦（TiO2）光催化劑，TiO2光催化劑只能在紫外光照下有用，可見光是無效的。光催化技術(shù)的要害點(diǎn)是有必要有高功能的光催化劑。據(jù)我所知光催化的反應(yīng)功率（速度）相對(duì)比較低。玻璃的自清潔便是運(yùn)用光催化的原理。

 

2.臭氧氧化技術(shù)

 

因?yàn)樵?40nm以下紫外光可以發(fā)生臭氧，在此有必要解釋一下臭氧。臭氧（O3）是一個(gè)十分強(qiáng)的氧化劑，能在短時(shí)間內(nèi)將空氣中的浮游細(xì)菌消除，分化毒氣、VOCs，去除惡臭。因而臭氧可用于凈化空氣、飲用水，滅菌，處理工業(yè)廢物和作為漂白劑。臭氧也能與VOCs反應(yīng)，將VOCs氧化成無毒無害的CO2和H2O。

 

3．UV光解技術(shù)

 

UV光解技術(shù)作為消除VOCs和惡臭現(xiàn)在比較盛行的技術(shù)，***別在處理低濃度VOCs方面有許多的使用。在網(wǎng)絡(luò)上可以看到許多環(huán)保產(chǎn)品宣揚(yáng)都用UV光解氧化這個(gè)姓名?？墒?，從“UV光解”這個(gè)姓名，讓人的感覺是紫外光來解離有機(jī)物直接把VOCs損壞了。實(shí)踐中使用中，都是選用簡略的185和254nm的紫外燈管。依據(jù)前面介紹，咱們很簡略想到，只需有185nm的紫外線，就會(huì)有臭氧發(fā)生。臭氧具有十分強(qiáng)的氧化性，它能和一切有機(jī)物反應(yīng)，損壞有機(jī)物分子，假設(shè)有滿足的臭氧，終究可以將有機(jī)物氧化到二氧化碳和水。當(dāng)然，紫外光也可以損壞有機(jī)物，可是這些有機(jī)物碎片能否與氧氣反應(yīng)不得而知。損壞有機(jī)物并不等于把有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無害的二氧化碳和水，假設(shè)僅僅把***分子打碎變成小分子，那么VOCs仍然存在。這些有機(jī)物碎片估量不能與氧氣反應(yīng)，假設(shè)能與氧氣反應(yīng)，那么就不需求光催化技術(shù)了。因而，我以為，所謂UV光解（氧化）技術(shù)假設(shè)沒有光催化劑的合作，其實(shí)便是臭氧氧化技術(shù)。

 

關(guān)于UV光解技術(shù)的脫臭，因?yàn)閻撼粑镔|(zhì)一般含有N和S的有機(jī)物，而有機(jī)物中的C-N鍵和C-S鍵的鍵能較低，很簡略和臭氧也很簡略被UV光解離，只需損壞了有機(jī)物中的C-N鍵和C-S鍵，那么臭味將******下降或消失。這也許是咱們常常聽到的UV光解對(duì)惡臭作用較***的原因。

 

假設(shè)UV光解設(shè)備，沒有裝備光催化劑，假定只經(jīng)過臭氧來氧化VOCs。以甲苯為例，假定甲苯濃度為10ppm（41mg/m3），風(fēng)量為10000m3/h。一般來說臭氧中只要一個(gè)活性氧[O]，假設(shè)依照如下化學(xué)計(jì)量反應(yīng)：

 

C7H8(甲苯)+18O3=7CO2+H2O+8O2

 

假定臭氧悉數(shù)運(yùn)用，不發(fā)生逃逸。那么10ppm甲苯，需求180ppm的臭氧（O3），即385mg/m3。

 

一個(gè)做UV光管的老總前幾天告訴我，185nm的UV光管，每瓦每分鐘發(fā)生0.1mg臭氧，也便是每瓦每小時(shí)發(fā)生6mg臭氧。即1m3/h氣體需求裝備64W功率的UV光管（假定出世臭氧是線性的）。假設(shè)處理1000m3/h，需求64KW的光管，這樣的能量消耗現(xiàn)已十分***了。假設(shè)選用電暈放電法臭氧發(fā)生器，文獻(xiàn)上查到的數(shù)據(jù)是1000g臭氧耗能7500W，是1m3/h需求那么2.9W，1000m3/h只需求2.9KW。也便是說，假設(shè)僅僅運(yùn)用了UV光的臭氧，那么功率是十分低下的。

 

假設(shè)依照如下化學(xué)計(jì)量發(fā)生反應(yīng)：

 

C7H8(甲苯)+6O3=7CO2+H2O

 

那么處理1000m3/h的有機(jī)廢氣，前者需求21.3KW（即便這樣實(shí)踐中也是不可能，后者需求0.97KW。

 

還有一個(gè)可能是，假設(shè)有機(jī)物的鍵（C-C，C-H鍵）可以被UV光打斷，是否能直接能與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成CO2和H2O。那么，假設(shè)這種辦法建立的話，就不需求前面所講的光催化劑了，可見被UV打碎的有機(jī)分子，是不簡略和氧氣反應(yīng)生成CO2和H2O。即便這個(gè)進(jìn)程建立，那么打碎有機(jī)分子也是需求能量的，因?yàn)橛?jì)算難度太，這兒無法給出定量的數(shù)據(jù)了。

 

因?yàn)檫@個(gè)***域的相關(guān)科學(xué)論文還比較短少，我以為需求更多的研討來進(jìn)步該***域的使用水平。自己以為，進(jìn)步UV光解的作用，將氧氣引進(jìn)（參加）反應(yīng)是至關(guān)重要的，一起需求光催化劑相合作。假設(shè)僅僅臭氧參加反應(yīng)，那么用185nm光發(fā)生臭氧是十分不經(jīng)濟(jì)的，應(yīng)該用***為經(jīng)濟(jì)的電暈放電法臭氧發(fā)生器來供給臭氧。此外，假設(shè)合作及其他催化劑來活化氧氣分子，讓活化的氧氣分子與解離的有機(jī)物反應(yīng)，脫節(jié)對(duì)臭氧的依靠，到達(dá)消除VOCs，才是高效低能耗的***辦法。