摘要：噴涂工藝在化工、汽車、船舶、家具等行業(yè)廣泛應用，在噴漆過程中產(chǎn)生的廢氣對環(huán)境和人類健康帶來不利影響。本文介紹了噴漆廢氣的主要成分及其危害，綜述了處理噴漆廢氣的凈化技術(shù)，分成漆霧預處理技術(shù)以及處理噴漆廢氣中揮發(fā)性有機物（VOCs）的凈化技術(shù)，其中漆霧預處理主要分成濕式處理法和干式處理法，VOCs凈化技術(shù)包括傳統(tǒng)凈化處理技術(shù)如吸附法、吸收法、燃燒法、冷凝法等，新型凈化處理技術(shù)如膜分離法、光催化法、生物法、等離子體凈化法等，以及復合型凈化處理技術(shù)

摘要：噴涂工藝在化工、汽車、船舶、家具等行業(yè)廣泛應用，在噴漆過程中產(chǎn)生的廢氣對環(huán)境和人類健康帶來不利影響。本文介紹了噴漆廢氣的主要成分及其危害，綜述了處理噴漆廢氣的凈化技術(shù)，分成漆霧預處理技術(shù)以及處理噴漆廢氣中揮發(fā)性有機物（VOCs）的凈化技術(shù)，其中漆霧預處理主要分成濕式處理法和干式處理法，VOCs凈化技術(shù)包括傳統(tǒng)凈化處理技術(shù)如吸附法、吸收法、燃燒法、冷凝法等，新型凈化處理技術(shù)如膜分離法、光催化法、生物法、等離子體凈化法等，以及復合型凈化處理技術(shù)。闡述了這些技術(shù)的凈化機理、工藝流程以及優(yōu)劣勢，提出了復合型凈化處理技術(shù)是處理噴漆廢氣的未來發(fā)展方向，指出了運行成本、操作難易度、穩(wěn)定性是復合型處理技術(shù)亟待解決的問題。

隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，應用噴漆工藝的化工、房地產(chǎn)、汽車、機械、電子產(chǎn)品、船舶等行業(yè)也隨之不斷壯大。噴涂過程中排放的有機廢氣對周圍環(huán)境甚至人類健康帶來危害，噴漆廢氣主要以三苯(苯、甲苯、二甲苯)為主，有些還兼具酯類、醚類、酮類等組分。這些揮發(fā)性有機物輕則使人頭痛惡心，重則抽搐昏迷，傷害人體免疫系統(tǒng)。為有效解決這些問題，國家及部分省市已頒布一系列法律法規(guī)和大氣環(huán)境保護標準限制和治理廢氣產(chǎn)生的危害。針對噴涂工藝中產(chǎn)生的有機廢氣，本文將介紹不同處理技術(shù)，分析其優(yōu)勢以及存在問題，并從中尋找規(guī)律，找出最優(yōu)的處理凈化工藝方法。

1噴漆廢氣的成分及危害

在噴漆涂裝過程中高壓空氣噴射的油漆絕大部分停留在工件上，其他未到達噴涂表面的噴霧微粒與溶解噴漆微粒的水珠懸浮在空氣中，以及噴涂過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性有機化合物形成噴漆廢氣污染環(huán)境。由于不同油漆涂料所用溶劑不同，因而在噴涂過程中產(chǎn)生的廢氣組分也不同。以汽車噴涂為例檢測出15種VOCs，包括苯系物(甲苯、二甲苯等)、酯類(乙酸乙酯、乙酸丁酯等)、酮類(甲基異丁基酮)和醚類(乙二醇丁醚)等。北京、上海、廣東、江蘇等地針對涂裝行業(yè)VOCs排放制定了相應標準，見表1。

不同油漆以及采用不同工藝生產(chǎn)的涂料其VOCs成分及比例也大不相同。曾培源等在調(diào)查廣州市某規(guī)模較大汽車涂料企業(yè)中發(fā)現(xiàn)VOCs主要成分為乙酸仲丁酯、甲基異丁酮、甲苯、乙酸丁酯、乙苯和二甲苯，且二甲苯和乙酸丁酯所占比例接近50%。譚強等在調(diào)查佛山某工業(yè)園有關(guān)涂料的眾多企業(yè)時檢測出苯、甲苯、二甲苯和正乙烷為VOCs主要成分。余宇帆[5]研究珠三角地區(qū)涂裝排放VOCs特征譜后得出其主要VOCs依次為乙酸乙酯、乙苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯和乙酸丁酯等。潘潔晨等對室內(nèi)裝修的乳膠漆和硝基木器漆的揮發(fā)狀況進行模擬，得出乳膠漆產(chǎn)生的主要VOC為1,2-丙二醇，硝基漆含有的主要VOC為苯系物。因此噴漆廢氣處理要根據(jù)產(chǎn)生的VOCs種類不同選擇適宜的凈化技術(shù)。

噴漆廢氣對人類危害不容忽視，散發(fā)在空氣中的漆霧經(jīng)呼吸道吸入后會引發(fā)急慢性中毒，損害人體的神經(jīng)和造血系統(tǒng)。吸入高濃度的苯、甲苯、乙酸乙酯等廢氣短時間內(nèi)會抑制人的記憶力、注意力和感覺運動速度，長時間接觸會對肝臟造成毒性反應，甚至對中樞神經(jīng)造成破壞。表2為全國職業(yè)衛(wèi)生標準委員會提出的《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值》(GBZ2—2002)，規(guī)定了三苯等有機化合物容許接觸濃度。

封蔚瑩等對連續(xù)從事裝修作業(yè)油漆工人健康調(diào)查得出，作業(yè)環(huán)境中苯及其苯系物明顯超標，油漆污染對工人的免疫功能和造血功能都有一定影響。在實際作業(yè)過程中，工人接觸的是多種化學有害物質(zhì)的混合物，這些污染物的獨立、協(xié)同、拮抗、加和的聯(lián)合毒性作用是難以想象。因此，含有多種成分揮發(fā)性有機化合物的噴漆廢氣凈化處理就顯得尤為重要。

2噴漆廢氣預處理技術(shù)

噴涂廢氣不僅含有揮發(fā)性有機物，還包含噴涂過程中懸浮在空氣中的漆霧，漆霧會影響后續(xù)有機廢氣處理，所以噴漆廢氣凈化前需要去除其中的漆霧，以便下一步對其中揮發(fā)性有機物凈化治理。

2.1濕式凈化法

濕式凈化法是依據(jù)相似相溶原理，通過溶劑吸收(或者化學吸收)噴漆廢氣中的漆霧，常用的濕式凈化法有水簾式、無泵水幕式、文丘里式、水旋式等處理凈化法。

2.1.1水簾式凈化法

水簾式凈化法是經(jīng)過水泵循環(huán)噴淋產(chǎn)生流動的簾狀水層，水幕捕集飛散的漆霧，工藝流程如圖1所示。一般大型水簾式噴漆室將水簾斜坡放置在室底，通過專用循環(huán)水泵調(diào)節(jié)水簾形狀，當噴漆氣流通過水簾時，漆霧被附著留下。工業(yè)上常見的水簾式噴漆室設備主要由噴漆室室體、漆霧凈化器、水氣分離器、水過濾器、水循環(huán)管、照明裝置、風機、水泵及電器控制系統(tǒng)等部分組成。

水簾式凈化法可有效降低噴漆廢氣中漆霧的排放量，操作方便，結(jié)構(gòu)簡單。但水幕凈化產(chǎn)生含有漆霧的廢水，需廢水處理防止二次污染;對于大型水簾噴漆室，大面積水簾會增大室內(nèi)空氣濕度，影響工人工作環(huán)境和涂層質(zhì)量。

2.1.2無泵水幕式凈化法

無泵水幕式凈化法是利用空氣誘導提水形成水幕，當噴漆廢氣與水幕碰撞后，水幕截留霧狀微粒及其攜帶油漆的水珠;然后廢氣穿過水簾進入氣水攪拌通道，在通道中與水混合;進入集氣箱后由于氣速降低發(fā)生氣液分離，凈化后的氣體排放到大氣中，被分離的水在集氣箱中匯集流向溢水槽，再通過泛水板形成水幕，循環(huán)重復凈化噴漆廢氣，工藝流程如圖2所示。相對于水簾式凈化法，無泵式凈化法去除了水泵設備，優(yōu)化了凈化流程，節(jié)約成本和占地面積，同時克服了漆霧黏附管道內(nèi)壁導致水泵阻塞的現(xiàn)象。

2.1.3文丘里水幕式凈化法

完整的文丘里水幕式噴漆凈化室由室體、送風系統(tǒng)、排風系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、水密封系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等組成。處理流程主要是運用文丘里效應的氣相負壓，氣流在文丘里喉口部位急劇加速，通過風口的均勻水流被充分霧化，利用霧化的水汽捕集廢氣中漆霧;最后在離心分離器中將含有油漆的水渣從氣流中分離以達到凈化效果，工藝流程見圖3。文丘里水幕式凈化可有效提高漆霧的捕集效率，同時能夠減少設備能耗，但是對于懸浮在噴漆室中漆霧處理效果并不好，漆霧容易黏附在噴漆室的壁板上。

2.1.4水旋式凈化法

水旋式處理系統(tǒng)一般由室體、照明系統(tǒng)、送風系統(tǒng)、抽風系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、水槽以及防火系統(tǒng)構(gòu)成?；驹硎菍娖釓U氣經(jīng)過水幕預清洗后通往水旋器，利用旋壓器內(nèi)的高速氣流的沖擊力將水卷起，從而達到捕集漆霧目的，工藝流程如圖4所示。

該凈化裝置存在問題是各相鄰水旋器氣流之間相互干擾，氣流利用率低，使得水旋器霧化效果層次不齊;噴房底部漆泥不容易清除，維修清理困難。

2.1.5小結(jié)

不同濕式處理方法雖然在性能、效率、維護等方面存在一些差異，如表3所示，但總體上去除漆霧效率較高。其缺點是漆霧黏附在室壁、管道、水槽中，長時間使用易形成較大漆團堵塞管道，所以還需使用化學絮凝劑處理漆霧廢水，因此研制成本低、效果好的漆霧絮凝劑是油漆處理行業(yè)的一個重要課題。表4列舉了噴漆室中常用的油漆絮凝劑種類。

2.2干式凈化法

干式凈化法是將噴漆廢氣進入過濾器，利用濾層阻留噴漆廢氣中的漆霧和顆粒物，常用玻璃纖維棉、爐渣等作為濾料。理論上過濾法可以去除大部分漆霧，并對其中的揮發(fā)性有機物進行少量吸附。該方法無二次污染，不產(chǎn)生廢水;缺點是過濾不夠徹底，對設備污染嚴重，易堵塞。從表5可以看出，相對于濕式凈化法，干式凈化法在性能上不夠穩(wěn)定，但由于美國等已將濕式凈化排放的含涂料廢水視為危險廢棄物，企業(yè)開始放棄濕式凈化法，轉(zhuǎn)而使用沒有廢水排出的干式凈化法。

3有機廢氣的凈化處理

經(jīng)去除漆霧處理后的噴涂廢氣主要含有揮發(fā)性有機物，其處理技術(shù)包括傳統(tǒng)凈化技術(shù)、新型凈化技術(shù)和復合型凈化技術(shù)。傳統(tǒng)凈化技術(shù)包括吸附法、吸收法、燃燒法和冷凝法等目前應用較廣泛，同時新型凈化技術(shù)膜分離法、光催化法、生物法和等離子體凈化法等近年來也得到快速發(fā)展和應用;近年來一些研究者將這些凈化技術(shù)各自優(yōu)點結(jié)合起來，創(chuàng)新出復合型凈化處理技術(shù)，不斷實踐和探索最優(yōu)組合的處理效果和凈化技術(shù)。

3.1傳統(tǒng)凈化處理技術(shù)

3.1.1吸附法

吸附法是將有機廢氣通過裝滿吸附劑的填充床，吸附有機物達到減小空氣污染目的。其關(guān)鍵在于選用吸附劑的性能，高性能吸附劑應具有較大吸附容量、均勻的吸附孔徑、易再生等特征。

常見工業(yè)吸附劑主要有活性炭、活性碳纖維、焦炭粉粒、分子篩沸石等?；钚蕴坑捎谄渚哂忻芗奈⒖捉Y(jié)構(gòu)、極大的內(nèi)表面積、良好的吸附性能、穩(wěn)定的化學性質(zhì)，所以能夠適用于噴漆廢氣中VOCs的吸附凈化;但處理濕度大于60%的廢氣，其吸附效果將明顯降低[16];若沒有再生裝置，更換活性炭增大了運行成本;若采用熱空氣再生容易引發(fā)著火。分子篩比活性炭具有耐高溫、不可燃、較強疏水性等特征，可通過熱空氣再生，對于濕度不高于90%的廢氣也表現(xiàn)出良好的吸附效果。

目前工業(yè)上常用的吸附工藝有固定床、移動床、流化床和轉(zhuǎn)輪式吸附裝置。表6比較了不同吸附工藝優(yōu)缺點。如今歐美、日本等發(fā)達國家已普遍應用轉(zhuǎn)輪吸附凈化技術(shù)，該技術(shù)主體是一個裝滿吸附劑的旋轉(zhuǎn)輪，并根據(jù)處理作用的不同劃分為吸附、脫附和冷卻3個部分。如圖5所示，含有VOCs的噴漆廢氣引入吸附區(qū)域，與吸附區(qū)中的吸附劑充分接觸吸附，待吸附劑轉(zhuǎn)入到脫附區(qū)與高溫蒸汽或熱空氣接觸，VOCs脫附并隨氣流流出，吸附劑再生;再生后的吸附劑轉(zhuǎn)移到冷卻區(qū)降溫，為下一次吸附作準備。

近幾年，國內(nèi)對轉(zhuǎn)輪濃縮技術(shù)進行了創(chuàng)新，研制出可提高吸附濃縮沸石轉(zhuǎn)輪凈化效率和延長沸石轉(zhuǎn)輪使用壽命的新型再生裝置;郅立鵬等公開了一種用活性炭材料摻雜的分子篩吸附濃縮轉(zhuǎn)輪制備專利，分別利用活性炭處理高濃度物質(zhì)效果好和分子篩處理低濃度物質(zhì)效果好的特性，解決了轉(zhuǎn)輪技術(shù)耐高溫性能差的問題。濃縮比是評價轉(zhuǎn)輪性能的重要指標，高濃度廢氣可選擇低濃縮比確保去除率，低濃度廢氣選擇高濃縮比提高凈化系統(tǒng)整體能效。濃縮后的VOCs需后續(xù)技術(shù)凈化處理，工業(yè)上常用蓄熱燃燒或催化燃燒處理，利用熱量回收達到節(jié)能目的;也可與其他傳統(tǒng)處理技術(shù)如吸收法、冷凝法或者新型凈化技術(shù)膜分離法、光催化法聯(lián)合使用達到凈化目的。

3.1.2吸收法

吸收法即利用噴漆廢氣中的VOCs氣體在某些溶劑中的高溶解性，用高沸點、低蒸氣壓的油溶性溶劑吸收VOCs的一種凈化方法。吸收法分為物理吸收和化學吸收，現(xiàn)實工業(yè)處理過程一般采用物理吸收，吸收劑是否廉價、易得、無害等是需考慮的關(guān)鍵問題。何璐紅等以非離子表面活性劑吐溫-20為主表面活性劑，添加助表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)以及助劑氯化鈉，形成復配水溶液吸收劑處理甲苯為主的VOCs廢氣，最優(yōu)甲苯去除率可達到77%。肖瀟等通過實驗對比二乙基羥胺、聚乙二醇400、硅油、食用油、廢機油、0#柴油等吸收劑對甲苯廢氣的吸收效果，發(fā)現(xiàn)在相同實驗條件下二乙基羥胺對甲苯的吸收量最大。李甲亮等實驗研究發(fā)現(xiàn)4%的1,4丁二醇(BDO)對甲苯廢氣具有良好吸收效果，最高吸收濃度可達43.87mg/L。除物理吸收外，工業(yè)生產(chǎn)中也會采用氫氧化鈉、次氯酸鈉等堿液或酸液作為吸收劑對廢氣進行化學吸收。表7列舉了目前國內(nèi)外采用的吸收劑類別，并分析了其特性。

通常采用的吸收設備為填料塔或噴淋塔。物理吸收一般采用填料塔設備，如圖6所示。因為填料塔相界面大，氣液接觸時間和氣液比均可大范圍調(diào)節(jié)，在分離效率和壓降方面都較優(yōu)秀，同時結(jié)構(gòu)簡單，操作彈性大，成本低，對具有腐蝕性的VOCs廢氣可采用不銹鋼或陶瓷材質(zhì)填料提高耐腐蝕性。相對于填料塔，噴淋吸收塔結(jié)構(gòu)簡單、阻力小、投資小。在吸收過程中廢氣在塔內(nèi)下進上出，吸收劑由耐腐泵從塔頂打入液體分布裝置，均勻向下噴淋和廢氣逆流接觸并發(fā)生化學反應[28]，洗滌后的廢氣經(jīng)噴淋層上方除霧器除去霧滴后從吸收塔頂部排出，如圖7所示。

3.1.3燃燒法

燃燒法是將噴漆廢氣中的有機物燃燒氧化，轉(zhuǎn)換成CO2和H2O無害物質(zhì)達到廢氣凈化目的。燃燒法可分為直接燃燒法、熱力燃燒法、催化燃燒法、蓄熱燃燒法等類型。

(1)直接燃燒法高濃度可燃有機廢氣宜采用直接燃燒法。直接燃燒法需要足夠高溫度，并保證燃燒空間內(nèi)擁有足夠氧氣。若氧氣量不足則燃燒不完全;若氧氣量過多，會使可燃物濃度不在著火界限范圍內(nèi)導致不完全燃燒。為防止氣體爆炸，一般在鍋爐或敞開的燃燒器中燃燒廢氣，燃燒溫度大于1100℃;但當燃燒不完全時，會導致一些污染物和煙塵排放到大氣中，同時燃燒的熱能無法回收，造成燃料能量損失。

(2)熱力燃燒法低濃度可燃有機廢氣可采用熱力燃燒法處理。濃度低可燃性物質(zhì)導致在燃燒過程中不足以釋放支持整個燃燒過程所需的能量，因此需加輔助燃料作為助燃氣體，通過燃燒助燃氣體提高熱量，使廢氣達到反應溫度并充分燃燒，如圖8所示。熱力燃燒法溫度一般在500～900℃范圍內(nèi)，低于直接燃燒法溫度。

(3)催化燃燒法催化燃燒法被視為處理VOCs的一種高效技術(shù)，在催化劑作用下VOCs可在較低溫度下(通常為200～400℃)氧化生成無污染的CO2和H2O。催化燃燒法無二次污染，工藝操作簡單，安全性高，起燃溫度低;但催化劑性能優(yōu)劣決定VOCs凈化效果，因此高性能催化劑選擇和研究開發(fā)是高效新型催化燃燒法的核心問題，表8表述了常用的催化劑特點。處理高濃度、小風量有機廢氣可采用催化燃燒法，但噴漆廢氣風量大、VOCs濃度一般低于300mg/m3，不太適合處理噴漆廢氣。

(4)蓄熱燃燒法當有機廢氣濃度不高時，常規(guī)的熱力燃燒和催化燃燒不足以維持自燃，需要額外補充大量熱能，因此宜采用蓄熱燃燒。目前應用的蓄熱燃燒器分兩種：蓄熱式熱力燃燒反應器(RTO)和蓄熱式催化燃燒反應器(RCO)。對于RTO裝置，一般由蓄熱式換熱器、熱力燃燒室和切換閥門組成，常見的基本形式有二室、三室和多室RTO。二室RTO在進行閥門切換過程中會發(fā)生管道殘留有機廢氣同凈化后的廢氣一同排放問題，導致在凈化周期內(nèi)有一半以上時間內(nèi)無法實現(xiàn)達標排放，凈化效率低于80%;三室RTO在二室RTO的基礎(chǔ)上增加了沖洗室，解決了廢氣未處理就排出問題，但閥門過多很難實現(xiàn)同步切換，使未處理廢氣同凈化氣體混合，無法實現(xiàn)達標排放;對于多室RTO亦是如此。RCO裝置一般由蓄熱催化爐和旋轉(zhuǎn)換向閥組成，蓄熱催化爐內(nèi)分隔成多個蓄熱催化室，有機廢氣通過旋轉(zhuǎn)換向閥的進氣口進入蓄熱催化室中加熱，待氣體溫度達到200～500℃后通過另一個蓄熱催化室，在催化劑作用下得到凈化并釋放熱量，凈化后的高溫氣體被蓄熱體吸收能量并降低溫度，最后通過旋轉(zhuǎn)換向閥的排氣口排出，如圖9所示。蓄熱燃燒技術(shù)優(yōu)勢在于凈化效率高、無二次污染，同時實現(xiàn)能量回收，節(jié)約燃料，具有良好應用前景。

3.1.4冷凝法

冷凝回收法是將有機廢氣導入冷凝器中，利用VOCs在不同溫度下蒸氣分壓不同，使VOCs逐步冷凝成液態(tài)的回收[33]。冷凝法適用于處理高濃度、小流量有機廢氣，主要應用于制藥、化工等行業(yè);噴涂、印染等行業(yè)若采用冷凝法，通常先對較低濃度的噴漆廢氣壓縮后再處理。其工藝是將有機廢氣通往預冷級單元預處理，一般溫度控制在5℃，去除所含水蒸氣，避免冷卻級蒸發(fā)器結(jié)霜而影響換熱[33];預冷后的有機廢氣通過冷卻級蒸發(fā)器降溫，溫度控制在–30℃左右，把VOCs冷凝成液態(tài)。冷凝回收操作簡單，效果穩(wěn)定，其封閉性受外界溫度和壓力變化影響小，其工作溫度低于冷凝后液體閃燃，較安全，但過低的冷凝溫度導致能耗高，冷凝設備性能要求和設備投資及運行費用也較高[34]。其中制冷劑選擇對制冷效率以及回收效果有著不同影響。表9比較了不同類別制冷劑的優(yōu)缺點。

3.1.5小結(jié)

傳統(tǒng)有機廢氣凈化技術(shù)應用廣泛，已趨于成熟。在實際凈化過程中，需針對不同濃度、流量、成分的廢氣采用適宜技術(shù)。傳統(tǒng)凈化技術(shù)的優(yōu)缺點及其適用范圍總結(jié)見表10。

3.2新型凈化處理技術(shù)

3.2.1膜分離法

膜分離技術(shù)是根據(jù)廢氣中各組分分子大小不同，利用通過膜傳遞速率、擴散能力差異實現(xiàn)分離的技術(shù)。具有流程簡單、能耗小、運行費用和設備占地面積小的優(yōu)勢，在醫(yī)療、食品等行業(yè)膜分離技術(shù)得到了充分重視。膜材料選擇是該技術(shù)關(guān)鍵問題，材料結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)對于分離凈化效果具有影響，表11比較了不同類型膜材料結(jié)構(gòu)及其優(yōu)缺點。

近年來，工業(yè)生產(chǎn)中嘗試將膜分離同傳統(tǒng)氣體吸收技術(shù)結(jié)合起來，即膜氣體吸收技術(shù)，通過氣液膜接觸器將氣液兩相分離，再利用驅(qū)動壓力將氣相組分通過分離膜擴散到液相中并吸收;關(guān)毅鵬等采用錯流式膜接觸器及海水基吸收液治理燃煤煙氣;姜尚等采用商業(yè)的聚酰亞胺中空纖維致密膜為接觸器，以淡水和海水作為吸收劑捕集CO2;王躍等采用中空纖維膜接觸器，以蛋氨酸合鈷溶液為吸收劑去除NO。該技術(shù)對VOC分離研究鮮見報道，其原因可能是膜容易堵塞。

3.2.2光催化法

光催化法是利用催化劑在光照條件下VOC發(fā)生氧化反應分解成無污染的H2O和CO2。常用催化劑有TiO2、ZnO、WO3、CdS、ZnS、SnO2、Fe2O3等，其中因TiO2催化活性好、價格低廉、無毒無害而應用廣泛。光催化劑粒子具有能帶結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是由充滿電子的低能價帶(VB)、空的高能導帶(CB)和價帶與導帶之間的禁帶構(gòu)成。當在受到具有一定能量外界光照射情況下，價帶中的電子(e–)會躍遷至導帶，并在離開的相應位置處產(chǎn)生空穴(h+)。光生空穴(h+)具有強氧化性，會把吸附在催化劑表面的H2O和OH–氧化成羥基自由基(•OH)，有著強還原性的光致電子(e–)會將O2還原成超氧陰離子自由基(•O2–)，再通過質(zhì)子化作用生成羥基自由基(•OH);最后光生空穴(h+)和羥基自由基(•OH)將同VOCs分子進行反應生成無毒無害的H2O和CO2[46-49]，反應示意見圖10，具體反應方程式為式(1)～式(6)。

對于液體或粉末狀催化劑需要固定化處理。常用的固定化催化劑制備方法有溶膠-凝膠法、液相沉積法、化學氣相沉積法、電沉積法、濺射法、膠黏法、離子交換法等。固定化工藝選擇應根據(jù)處理廢氣中VOCs種類、降解效果以及操作難易程度等特點合理經(jīng)濟的選擇制備方法。

3.2.3生物法

生物法處理VOCs相比傳統(tǒng)物理化學方法具有成本低、無二次污染凈化徹底等優(yōu)勢，在國外已成為研究熱點。其機理是利用細菌和真菌等微生物將廢氣中的有機成分氧化分解成簡單無機物。根據(jù)荷蘭學者OTTENGRAF提出的吸收-生物膜理論，廢氣中的有機物由氣相進入到液膜中，在濃度差作用下擴散到生物膜中，被膜中的微生物捕獲并吸收，微生物將有機物作為能源和營養(yǎng)物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化成CO2和H2O排出，如圖11所示。孫石等提出的吸附-生物膜新型理論認為廢氣中的揮發(fā)性有機物從氣相通過氣膜到達濕潤的生物膜表面被直接吸附，吸附后的有機物被微生物捕獲并分解反應成CO2和H2O。

目前常用的生物處理工藝有生物濾池、生物洗滌塔和生物滴濾塔。生物濾池適用于處理低濃度廢氣，對于降解難溶于水的VOCs有一定優(yōu)勢，但存在填料易老化、pH難控制等問題;生物洗滌塔相較于生物濾池，反應條件更易控制，反應速度穩(wěn)定，但只適用于處理易溶于水的VOCs，投資和運行費用較高;生物滴濾塔克服了生物濾池存在問題，但生物膜中的微生物容易隨液相流失。微生物是生物法處理有機廢氣的主體，常用微生物種類主要是細菌、真菌和放線菌等。表12列舉了適用于處理噴漆廢氣中VOCs的微生物種類。

生物法處理噴漆廢氣中的“三苯”存在效率低問題，由于甲苯、二甲苯等揮發(fā)性有機物在水相中溶解度很低，屬于疏水性VOCs，所以采用傳統(tǒng)生物法時，VOCs從氣相到液相的傳質(zhì)過程中存在較大阻力，降低了VOCs被微生物捕獲降解的機率。因此如何減少疏水性VOCs在氣液相傳質(zhì)過程中的阻力是生物法凈化噴漆廢氣需解決的關(guān)鍵問題。

3.2.4等離子體凈化法

薄拯等[62]采用滑動弧放電等離子體技術(shù)處理正己烷，將正己烷裂解成CO2、CONO2和H2O;LIANG等研究了介質(zhì)阻擋放電凈化甲醛廢氣;施耀等采用低溫等離子體技術(shù)處理二甲苯;竹濤等為了提高低溫等離子體處理甲苯的能量利用率，通過變頻高壓交流電源改變等離子體凈化系統(tǒng)的影響因素。一般認為，在高壓放電時電子從電場中獲得大量能量形成高能電子，一部分高能電子與O2、H2O等碰撞產(chǎn)生˙O和˙OH等活性自由基，另一部分高能電子則與VOCs分子進行非彈性碰撞后將能量轉(zhuǎn)化成VOCs分子的內(nèi)能或動能，使得VOCs分子發(fā)生電離、離解，被離解、電離或激發(fā)的VOCs分子與活性自由基接觸發(fā)生復雜的物理化學反應達到降解有機廢氣目的，示意圖見圖12。

低溫等離子體適用于處理低濃度(1～1000μL/L)有機廢氣，與傳統(tǒng)方法相比具有處理效率高、反應流程短等優(yōu)點，但由于該技術(shù)還不成熟，在等離子體降解過程可能會產(chǎn)生一些有害產(chǎn)物(如O3、CO、NOx等)造成二次污染，同時還存在高壓放電使得能耗較高等問題。

3.2.5小結(jié)

膜分離法、光催化法、生物法、等離子體凈化法等新型凈化處理技術(shù)得到足夠重視，新型凈化處理技術(shù)在擁有各自優(yōu)勢的同時也存在不足之處。新型凈化處理技術(shù)的優(yōu)缺點以及適用范圍總結(jié)在表13。

綜上所述，傳統(tǒng)的凈化處理技術(shù)和新型凈化處理技術(shù)都各自存在優(yōu)缺點，采用何種凈化方法還需根據(jù)企業(yè)的實際情況合理選擇，表14列舉了工藝選擇優(yōu)化方法以及優(yōu)勢和技術(shù)水平。

3.3復合型凈化處理技術(shù)

單一有機廢氣凈化技術(shù)雖然有各自優(yōu)勢，但不可避免都有自身局限性，因此有必要探索多種凈化技術(shù)相結(jié)合的復合型處理工藝。劉建偉等針對處理汽車噴漆廢氣采用生物滴濾和生物過濾組合工藝，發(fā)現(xiàn)組合式反應器對廢氣的污染物有著較好的處理效果。預處理后的廢氣通進生物滴濾塔中與營養(yǎng)液充分混合微生物降解，降解后的廢氣通往生物濾塔與填料中的微生物進行再降解，如圖13所示。

對于不同處理技術(shù)的復合型工藝，黃維秋等發(fā)現(xiàn)集成冷凝和吸附回收工藝可以充分利用各自特點，通過吸附劑先吸附VOCs，將飽和的吸附劑送往冷凝回收裝置，利用熱蒸汽吹脫，脫附后的VOCs深度冷凝回收再利用，避免了冷凝法的經(jīng)濟成本問題和吸附法的安全問題。岳鑫桂等將等離子體技術(shù)同光催化技術(shù)相結(jié)合，利用等離子體作為光催化的驅(qū)動力，處理效率高于單獨介質(zhì)阻擋放電或者光催化降解效果，如圖14。但該復合技術(shù)仍處于實驗室和小規(guī)模應用階段，還需研究改進。吸收法和光催化氧化技術(shù)組合工藝處理甲苯廢氣也進行了研究，表明在一定實驗條件下甲苯去除率相比單個工藝有所提高。

工業(yè)有機廢氣多為復合氣體，適宜采取復合凈化技術(shù)處理。例如將吸附濃縮技術(shù)同RTO結(jié)合在一起，構(gòu)成一種熱能回收和廢氣處理的新系統(tǒng)，利用分子篩轉(zhuǎn)輪對有機廢氣進行吸附脫附，脫附后的高濃度廢氣送往RTO燃燒室高溫氧化，分解成CO2和H2O。也有將濃縮后的有機廢氣通往RCO處理裝置中進行氧化分解，由于處理系統(tǒng)溫度比RTO低，安全性更有保障[74];更成熟的凈化技術(shù)是采用“吸附-脫附-催化燃燒”復合工藝，如圖15。將噴漆廢氣通入吸附床進行吸附后再脫附排入到催化燃燒裝備中反應，生成CO2和H2O，催化燃燒法可利用VOCs燃燒釋放的能量減少能耗，吸附劑可重復使用降低運行成本，兩者相結(jié)合可更大程度地提高凈化效率。

4結(jié)語

選擇合適工藝治理噴漆廢氣污染很有必要，干式凈化漆霧過濾效率較低，應用范圍較窄;濕式凈化前期設備投資較高，但性能穩(wěn)定、凈化效率高、運行成本較低，國內(nèi)大部分企業(yè)選用該方法。在噴漆有機廢氣凈化方面，小型家具電子企業(yè)可單獨采用吸附法;冷凝法因其能耗高、設備性能和制冷劑要求高，一般不推薦;工業(yè)上常用的物理吸收法在對甲苯為主的噴漆廢氣VOCs去除率很難超過80%，也不推薦使用;若采用燃燒法處理有機廢氣，推薦采用蓄熱式熱力燃燒反應器(RTO)，相較于直接燃燒法和催化燃燒法，RTO凈化效率高、無二次污染，也不存在直接燃燒不完全和催化燃燒易中毒等缺陷。新型凈化處理技術(shù)對于國內(nèi)企業(yè)應用還處于起步階段，膜分離法、光催化法、生物法和等離子體凈化技術(shù)處理VOCs的裝置規(guī)模較小，大部分還處于中(小)試階段，大規(guī)模應用還需要實踐完善。

大中型汽車、船舶、家具等企業(yè)噴漆廢氣治理可根據(jù)各自特點，選擇不同的復合式凈化技術(shù)。對于汽車噴漆廢氣處理可采用“轉(zhuǎn)輪吸附+催化燃燒”工藝或“活性炭吸附+脫附+催化燃燒法”工藝，該工藝技術(shù)上趨于成熟，能夠最大程度上提高凈化效率;對于船舶等噴漆量較大、廢氣濃度高的企業(yè)可采用“吸附-脫附-溶劑回收”復合凈化技術(shù)，在保證90%以上凈化率的同時，將脫附回收的溶劑二次利用，提高經(jīng)濟效益。

隨著科技不斷進步和實驗研究的不斷深入，噴漆廢氣治理由單一凈化工藝向多種工藝結(jié)合的方向發(fā)展，在發(fā)揮不同工藝優(yōu)勢的同時，也規(guī)避單一工藝的不足，最大程度提高噴漆氣的處理效率。但復合型處理工藝需要解決投資運行費用高、穩(wěn)定性不足、操作難度高等問題，要廣泛應用于涂裝、化工、汽車、船舶等行業(yè)噴漆尾氣治理還需進一步完善提高。如何以最小的經(jīng)濟成本和人力投資凈化噴漆廢氣達到國家排放標準，減少對環(huán)境污染同時帶來經(jīng)濟效益還需要相關(guān)領(lǐng)域研究人員和企業(yè)不斷探索和實踐。

原標題:噴漆廢氣處理技術(shù)研究進展