UV光解處理有機(jī)廢氣的技術(shù)原理

一、UV光簡介

我們平時(shí)常見的白色太陽光，實(shí)際上是由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種單色光組成的。其中可見光處在波長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射線的長波波長相重疊。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)的源分別稱之為長波、中波、短波和真空紫外光源。

二、紫外光源

紫外光源是以產(chǎn)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)、國防和醫(yī)療等領(lǐng)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。低壓汞燈是利用較低汞蒸汽壓（<10-2Pa）被激化而發(fā)出紫外光，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。

由于紫外線無法通過普通玻璃，因此必須使用石英玻璃，而且是高純度的石英玻璃，對雜質(zhì)含量要求非常高。如果在石英玻璃中含有鈦元素，對200nm以下的紫外線具有截止作用，而對254nm紫外線透過基本無影響。利用這個(gè)原理，可以通過控制鈦元素的添加量，可有效的控制185nm紫外線的逸出（通過）量。由于185nm的紫外線能夠激發(fā)空氣中的氧氣生成臭氧（O3），因此通過改變石英玻璃的性能，控制臭氧產(chǎn)生量，以制作低臭氧(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），光子能量可以按照這個(gè)簡單公式來計(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，同時(shí)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，容易斷裂。氧氣（O2）中的O=O的鍵能為5.16eV。當(dāng)紫外光的光子能量大于化學(xué)鍵鍵能時(shí)，紫外光光子可以破壞化學(xué)鍵。由于C-N和C-S鍵的鍵能較低，因此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紫外光能夠生成臭氧，而254nm紫外光不生成臭氧的原因。

四、紫外光消除VOCs和惡臭

從前面的分析可知，當(dāng)紫外光照射VOCs時(shí)，如果紫外光波長在240nm以上，那么無法激發(fā)氧氣生成臭氧，但能激發(fā)鍵能較低的C-N和C-S鍵，也可以使之解離。但是紫外光波長小于240nm時(shí)，不但能激發(fā)氧氣生成臭氧，還能對鍵能較高的化學(xué)鍵起到激發(fā)和解離作用。如果化學(xué)鍵得到激發(fā)，那么有機(jī)物分子變的更為活潑，使得容易進(jìn)一步氧化。

當(dāng)前紫外光在VOCs和惡臭消除領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)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)，具體如下：

1.光催化技術(shù)

光催化劑是在光的照射下，自身不起變化，卻可以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)。光催化劑是利用光能轉(zhuǎn)換成為化學(xué)反應(yīng)所需的能量，來產(chǎn)生催化作用，使周圍之氧氣及水分子激發(fā)成極具氧化力的OH-及O2-自由負(fù)離子。幾乎可分解所有對人體和環(huán)境有害的有機(jī)物質(zhì)。目前效果較好的是二氧化鈦（TiO2）光催化劑，TiO2光催化劑只能在紫外光照下有效，可見光是無效的。光催化技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)是必須有高性能的光催化劑。據(jù)我所知光催化的反應(yīng)效率（速度）相對比較低。玻璃的自清潔就是利用光催化的原理。

2.臭氧氧化技術(shù)

由于在240nm以下紫外光能夠產(chǎn)生臭氧，在此有必要解釋一下臭氧。臭氧（O3）是一個(gè)非常強(qiáng)的氧化劑，能在短時(shí)間內(nèi)將空氣中的浮游細(xì)菌消滅，分解毒氣、VOCs，去除惡臭。因此臭氧可用于凈化空氣、飲用水，殺菌，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和惡臭目前比較流行的技術(shù)，特別在處理低濃度VOCs方面有很多的應(yīng)用。在網(wǎng)絡(luò)上可以看到許多環(huán)保產(chǎn)品宣傳都用UV光解氧化這個(gè)名字。然而，從“UV光解”這個(gè)名字，讓人的感覺是紫外光來解離有機(jī)物直接把VOCs破壞了。實(shí)際中應(yīng)用中，都是采用簡單的185和254nm的紫外燈管。根據(jù)前面介紹，我們很容易想到，只要有185nm的紫外線，就會(huì)有臭氧產(chǎn)生。臭氧具有非常強(qiáng)的氧化性，它能和所有有機(jī)物反應(yīng)，破壞有機(jī)物分子，如果有足夠的臭氧，最終可以將有機(jī)物氧化到二氧化碳和水。當(dāng)然，紫外光也能夠破壞有機(jī)物，但是這些有機(jī)物碎片能否與氧氣反應(yīng)不得而知。破壞有機(jī)物并不等于把有機(jī)物轉(zhuǎn)換為無害的二氧化碳和水，如果僅僅把大分子打碎變成小分子，那么VOCs依然存在。這些有機(jī)物碎片估計(jì)不能與氧氣反應(yīng)，如果能與氧氣反應(yīng)，那么就不需要光催化技術(shù)了。因此，我認(rèn)為，所謂UV光解（氧化）技術(shù)如果沒有光催化劑的配合，其實(shí)就是臭氧氧化技術(shù)。

對于UV光解技術(shù)的脫臭，由于惡臭物質(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，很容易和臭氧也很容易被UV光解離，只要破壞了有機(jī)物中的C-N鍵和C-S鍵，那么臭味將大大降低或消失。這也許是我們經(jīng)常聽到的UV光解對惡臭效果較好的原因。

如果UV光解設(shè)備，沒有配備光催化劑，假設(shè)只通過臭氧來氧化VOCs。以甲苯為例，假設(shè)甲苯濃度為10ppm（41mg/m3），風(fēng)量為10000m3/h。通常來說臭氧中只有一個(gè)活性氧[O]，如果按照如下化學(xué)計(jì)量反應(yīng)：

C7H8(甲苯)+18O3=7CO2+H2O+8O2

假設(shè)臭氧全部利用，不發(fā)生逃逸。那么10ppm甲苯，需要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，每瓦每分鐘產(chǎn)生0.1mg臭氧，也就是每瓦每小時(shí)產(chǎn)生6mg臭氧。即1m3/h氣體需要配置64W功率的UV光管（假設(shè)出生臭氧是線性的）。如果處理1000m3/h，需要64KW的光管，這樣的能量消耗已經(jīng)非常大了。如果采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需要那么2.9W，1000m3/h只需要2.9KW。也就是說，如果僅僅利用了UV光的臭氧，那么效率是非常低下的。

假如按照如下化學(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，前者需要21.3KW（即使這樣實(shí)際中也是不可能，后者需要0.97KW。

還有一個(gè)可能是，如果有機(jī)物的鍵（C-C，C-H鍵）能夠被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，如果這種方式成立的話，就不需要前面所講的光催化劑了，可見被UV打碎的有機(jī)分子，是不容易和氧氣反應(yīng)生成CO2和H2O。即使這個(gè)過程成立，那么打碎有機(jī)分子也是需要能量的，由于計(jì)算難度太，這里無法給出定量的數(shù)據(jù)了。

由于這個(gè)領(lǐng)域的相關(guān)科學(xué)論文還比較缺少，我認(rèn)為需要更多的研究來提高該領(lǐng)域的應(yīng)用水平。本人認(rèn)為，提高UV光解的效果，將氧氣引入（參與）反應(yīng)是至關(guān)重要的，同時(shí)需要光催化劑相配合。如果只是臭氧參與反應(yīng)，那么用185nm光產(chǎn)生臭氧是非常不經(jīng)濟(jì)的，應(yīng)該用最為經(jīng)濟(jì)的電暈放電法臭氧發(fā)生器來提供臭氧。此外，如果配合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)，擺脫對臭氧的依賴，達(dá)到消除VOCs，才是高效低能耗的好方法。

來源:鉑銳催化