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談?wù)勈裁唇凶鲎贤饩€UV光解?

發(fā)布日期:2022-01-04

你不了解的紫外線UV光解到底有多厲害?

有機廢氣VOCs污染能不能被治理干凈?


改革開放30多年以來,工業(yè)廢氣排放越來越多,在黨的十八大、十九大中,習近平總書記提出科學發(fā)展觀,提出生態(tài)文明的戰(zhàn)略發(fā)展思路。對于工業(yè)和生活領(lǐng)域,如何有效的處理有機廢氣和治理空氣污染,缺是一個重大課題。近年來UV光解技術(shù)在處理揮發(fā)性有機廢氣(VOCs)和除臭方面得到了廣泛應(yīng)用。但是,對于UV光解技術(shù)處理VOCs的效果卻褒貶不一。UV光解的原理是什么?其效果到底怎么樣?是否能有效的處理廢氣改善空氣質(zhì)量?

答案當然是肯定的,下面我們就一起來探討下UV光解的一些知識。

一、什么是紫外線UV光?

我們平時常見的白色太陽光,實際上是由紅、橙、黃、綠、藍、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、什么是紫外光源?

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。

除高壓汞燈、低壓汞燈外,目前部分企業(yè)還生產(chǎn)出更多類型的紫外光源,成都巨源光電生產(chǎn)的微波無極紫外燈、鐵燈、雙管微波無極紫、快速啟動碘鎵燈、球型氙氣燈、脈沖氙燈3D打印疝氣燈等都能發(fā)出既定范圍內(nèi)的紫外線。加上自主研發(fā)的微波無極紫外光泵和微波無極紫外設(shè)備,使紫外線強度更高,更易控制,可以同時并存微波、紫外線、臭氧三者并存共同起到殺菌消毒、表面清潔改性、材料光固化、有機污染物分解等作用。

三、光子能量與化學鍵鍵能怎么計算?

光子能量計算公式為:E(能量)=h(普朗克常數(shù))×H(頻率),可將計算公式簡化為E=1240/λ(λ為光波長,nm),光子能量可以按照這個簡單公式來計算,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。

表2為揮發(fā)性有機物中常見的化學鍵的鍵能,同時增加了氧氣(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。當紫外光的光子能量大于化學鍵鍵能時,紫外光光子可以破壞化學鍵。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、紫外光是怎么消除VOCs和消除惡臭?

從前面的分析可知,當紫外光照射VOCs時,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,不但能激發(fā)氧氣生成臭氧,還能對鍵能較高的化學鍵起到激發(fā)和解離作用。如果化學鍵得到激發(fā),那么有機物分子變的更為活潑,使得容易進一步氧化。

當前紫外光在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:

1.什么是光催化技術(shù)?

光催化劑是在光的照射下,自身不起變化,卻可以促進化學反應(yīng)的物質(zhì)。光催化劑是利用光能轉(zhuǎn)換成為化學反應(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-自由負離子。幾乎可分解所有對人體和環(huán)境有害的有機物質(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)鍵點是必須有高性能的光催化劑。據(jù)悉光催化的反應(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。

2.什么是臭氧氧化技術(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)是一個非常強的氧化劑,能在短時間內(nèi)將空氣中的浮游細菌消滅,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。

3.什么是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光解氧化這個名字。然而,從“UV光解”這個名字,讓人的感覺是紫外光來解離有機物直接把VOCs破壞了。實際中應(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,就會有臭氧產(chǎn)生。臭氧具有非常強的氧化性,它能和所有有機物反應(yīng),破壞有機物分子,如果有足夠的臭氧,最終可以將有機物氧化到二氧化碳和水。當然,紫外光也能夠破壞有機物,但是這些有機物碎片能否與氧氣反應(yīng)不得而知。破壞有機物并不等于把有機物轉(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。這些有機物碎片估計不能與氧氣反應(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,所謂UV光解(氧化)技術(shù)如果沒有光催化劑的配合,其實就是臭氧氧化技術(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的有機物,而有機物中的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),風量為10000m3/h。通常來說臭氧中只有一個活性氧[O],如果按照如下化學計量反應(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。

傳統(tǒng)的185nm的UV光管,每瓦每分鐘產(chǎn)生0.1mg臭氧,也就是每瓦每小時產(chǎn)生6mg臭氧。即1m3/h氣體需要配置 ** W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 ** KW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,那么效率是相對低下的。

假如按照如下化學計量發(fā)生反應(yīng):

C7H8(甲苯)+6O3=7CO2+H2O

那么處理1000m3/h的有機廢氣,前者需要21.3KW(即使這樣實際中也是不可能,后者需要0.97KW。

還有一個可能是,如果有機物的鍵(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打碎的有機分子,是不容易和氧氣反應(yīng)生成CO2和H2O。即使這個過程成立,那么打碎有機分子也是需要能量的,由于計算難度太,這里無法給出定量的數(shù)據(jù)了。

五、如何彌補紫外線消毒除VOCs和消除惡臭的缺點?

目前,采用微波無極紫外燈技術(shù)可以大大提高紫外線燈的消毒殺菌以及光解VOCs效率。微波無極紫外燈同時具有微波、紫外線、臭氧三大功能。比如成都巨源光電生產(chǎn)的微波無極紫外光泵,微波無極紫外燈和微波無極紫外設(shè)備都很好的解決了這個問題,而且比傳統(tǒng)的紫外線燈發(fā)光效率高數(shù)十倍,處理完全。

微波:

可使細胞中極性物質(zhì)隨高頻微波場的震動受到干擾和阻礙,引起微生物細胞的蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子受熱凝固或變性失活從而導(dǎo)致其突變或死亡。

紫外線:

253.7nm紫外線通過照射微生物的DNA,使其發(fā)生光化學反應(yīng)從而變性失活,是目前公認的最佳消毒光譜線。

臭氧(O3):

微波激發(fā)的185nm射線于空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)生成的臭氧具有強氧化作用,對從烴到羧酸種類眾多的有機物的分解都有效,可有效的殺滅細菌;臭氧的彌散性可以彌補紫外線只沿直線傳播、消毒有死角的缺點。

六、光解UOCs的應(yīng)用?


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