UV光解催化氧化技術原理及處理效率

對于低濃度大風量的VOCs處理，目前采用zui多的技術是UV光解催化氧化，應用該技術處理廢氣的設備簡單、性價比高、運營和維護成本低，因此成為了中小企業廢氣處理的shou選方法。但由于當前工業廢氣處理設備自動化程度低，工業廢氣處理設備的廢氣處理監測也還有漏洞，效果評估都不太理想。

UV光解催化氧化技術原理

UV光解催化凈化原理主要是由光解和光催化氧化技術組合而成。

光解技術是利用185nm短波波長紫外光對廢氣分子進行裂解，打斷分子鏈，同時光解空氣中的水和氧氣，生成羥基自由基、臭氧等高級氧化劑氧化去除VOCs；光催化氧化技術是在設備中添加納米級活性材料，在紫外光線的作用下，產生更為強烈的催化降解功能。由于作為催化劑的TiO₂價格低廉，來源廣泛，對紫外光吸收率較高，抗光腐蝕穩定性和催化活性高，且沒有毒性，對很多有機物有較強的吸附作用，因而成為各類試驗研究中zui常用的光催化劑。

光催化反應面臨的問題主要有催化劑失活、反應動力學常數較小、不可預測的反應機理等，同時濕度能抑制光催化速率，尤其是有機廢氣濃度較大時，這種影響更為明顯，因此限制了光催化技術在處理濕度較大的廢氣方面的應用。由于納米材料本身對有機物具有氧化作用，納米材料與粘結劑的耐光催化性、載體的催化活性包括失活后的再生問題及膜的牢固性仍然是光催化技術的關鍵技術難題。

臭氧與甲苯在自然狀態下是不發生化學反應的。臭氧協同真空紫外光對甲苯是有降解效果的。254nm的紫外光可以促進臭氧產生氧自由基，從而氧化廢氣分子，臭氧在真空紫外條件下與空氣中的水蒸氣可產生羥基自由基，羥基自由基可氧化甲苯。

以風量10000 m³/h，甲苯200mg /m³的廢氣為例，要實現60%以上降解率，所需的光解部分配置在40根（150W雙波段），光催化部分配置在40根（150W單波段紫外燈）光催化網3-4平米，合計總功率在12KW。未來不排除通過優化風道設計、提高燈管、光催化網性能等途徑提高單元降解效率的可能。但以目前的技術水平，12KW應該是目前的基本配置。

在濕度合適條件下，光解配合光催化對甲苯降解率可以達到65%以上。如果只有光解，降解率zui高到40%，再增加配置反而降解率下降。如果只有光催化，降解率zui高到15%，只有光解光催化共同進行反應，才能到65%以上，說明光解和光催化有協同效應。

影響處理效果的主要因素

通過設備改進和實驗室試驗，主要從影響UV光催化治理VOCs效率的主要因素UV波長，起始溫度，初始濃度，相對濕度，停留時間，反應介質等進行研究，找到*反應效率和zui低能耗。

(1) 廢氣濃度的影響：UV光催化治理VOCs適合的應用范圍主要包括噴涂車間、印刷、電子、制藥、食品等行業產生的低濃度有機廢氣，對于20-200ppm以下的濃度效果較好，隨著VOCs濃度增高，降解效率也會隨之降低。

(2) 低相對濕度的影響：對于一定的濕度條件下，氧氣吸收了大部分185nm紫外光，但是隨著濕度的進一步增加，一部分是水蒸氣與氧氣競爭吸收185nm波長的紫外光，水蒸氣吸收了更多的185nm紫外光，同時產生更多羥基自由基。水蒸氣與活性氧反應生成羥基自由基，羥基自由基的氧化性要強于臭氧和活性氧，從而光解的速度明顯加快，促進單位時間內對于廢氣去除率的增加，試驗證明相對濕度在30-65%這個范圍，光解效率是上升的，相對濕度超過70%后隨之逐漸下降。

(3) 風速的影響：大量實驗證明風速越大，水蒸氣進出口的jue對濕度差越小，這也就是說風速越大，羥基自由基產生量的jue對值也會越少。因此在風速小的工況下，羥基自由基對揮發性有機物VOCs的貢獻大，風速大的工況下，羥基自由基對有機物降解的作用就會變得十分有限。風速也會影響紫外燈的燈管表面溫度，燈管表面溫度與紫外燈的發光效率有直接關系，燈表溫高于某一數值時會直接影響其發光效率。在設備測試中，風速在低于2m/s的時候，反應效果較好。在一定的設備空間內，風速同時影響了停留時間，一般停留時間增加，廢氣的去除效率有明顯增高。原因是停留時間增加，185nm紫外光和有機物碰撞次數一定增加。當停留時間達到10s后，延長停留時間，廢氣的降解效率增加并不明顯。尤其是在低濃度下，延長停留時間并不能等效增加廢氣的去除效率。

在整個光解光催化箱體中，真正的反應區域只有兩個，一個是光解部分的高光功率密度區域，一個是光催化部分的催化網界面。其中光解部分要光功率密度足夠高，區域足夠大，這樣降解能力才足夠。但由于光解主要降解機理是光激發分子到激發態導致化學鍵斷斷裂，而不是主要靠臭氧，因此光解部分要根據污染物成分濃度做相應設計，實際上光解區域的停留時間并不長。

光催化實際反應速度較慢，主要是靠高比表面積形成氣-液界面提高反應容量，通過高催化活性形成更多的羥基自由基提高反應效率。

因此，更重要的是提高光催化反應區域的停留時間，而不是簡單增加箱體尺寸！

(4) 光源的影響：目前，一般選擇185nm和254nm兩個波段的真空紫外燈，但市場上的UV燈管質量良莠不齊。

目前，市場上主要的紫外燈都是低壓汞燈（液汞或汞齊燈），發出紫外線的機理是利用汞等離子體狀態的激發-發射光，其中185nm和254nm是其特征波譜。

通過對比185nm和254nm的透過率，燈管材質一般選合成石英。

(5) 合理的設備空間布局和結構：對于凈化設備的制造也有一些問題要注意，目前UV光催化治理VOCs設備的自動化程度低，基本還沒有自動檢測和監控功能，所以對產品的整體效果不能夠進行有效的效率評估。要合理的處理好催化劑的布置、數量，要準確處理好透光性和氣體的流速，要進行合理的能量匹配和結構優化，否則，很多設備的有效去除率是遠遠不夠的。

不同的燈管排布方式

紫外燈的光功率隨距離衰減很快，因此光解部分的紫外燈不能排布太分散，否則光解空間的紫外燈光功率太低，導致降解效率急劇下降。當然太密也不行，一方面溫度會太高，另一方面鎮流器不好放置。建議光解紫外燈間距不應該大于10厘米，光催化部分紫外燈間距不大于10厘米，燈到光觸媒網的間距不大于8厘米較好。