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光解光催化廢氣處理用紫外線燈應(yīng)用技術(shù)探討

光解光催化廢氣處理用紫外線燈應(yīng)用技術(shù)探討

一、應(yīng)用原理

   先說(shuō)一下關(guān)于紫外線

紫外線是電磁波譜中波長(zhǎng)從100nm(納米)到400nm輻射的總稱(chēng)，其中波長(zhǎng)100nm到200nm的為真空紫外線(UV-D)，波長(zhǎng)200nm到280nm為短波紫外線(UV-C)，波長(zhǎng)280nm到315nm的為中波紫外線(UV-B)，波長(zhǎng)315nm到400nm的為長(zhǎng)波紫外線(UV-A)。紫外線的波長(zhǎng)與能量成反比。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，穿透皮膚或空氣能力越強(qiáng)。波長(zhǎng)越短，能量越強(qiáng)，越容易導(dǎo)致皮膚病變。UV-D無(wú)法在空氣中有效傳播，而波長(zhǎng)較短的UV-C則幾乎被臭氧層吸收，故自然界太陽(yáng)光中的紫外線，主要以UV-A和UV-B為主，其中UV-A約占98.1%，UV-B占1.1%。多說(shuō)幾句，UV-A可穿透皮膚表皮到達(dá)真皮，并對(duì)皮膚的表皮黑色素發(fā)生作用，從而引起皮膚黑色素沉著，使皮膚變黑。而UV-B幾乎無(wú)法穿透皮膚表皮，少量照射皮膚會(huì)促進(jìn)血液循環(huán)，生成維生素D3，有保健作用，發(fā)射UV-B波段的紫外線燈也俗稱(chēng)保健燈，但當(dāng)能量較高的UV-B長(zhǎng)時(shí)間作用于皮膚時(shí)，可發(fā)生光照性皮炎，皮膚上出現(xiàn)紅斑、癢、水皰、水腫等，而紫外線過(guò)量照射，還可引起皮膚癌。每天適量曬曬太陽(yáng)，能補(bǔ)充鈣質(zhì)，對(duì)人體是有益處的，一般一天曬15分鐘就足夠了，如果被紫外線過(guò)多輻射的話，就會(huì)損害人體的皮膚。除了曬黑曬傷皮膚，紫外線還會(huì)加速皮膚老化。短波紫外線燈利用汞原子特性在氣體放電時(shí)把汞蒸氣激發(fā)放射出254nm的UV-C和185nm的UV-D波長(zhǎng)的紫外線，UV-A和和UV-B是254nm的UV-C照射對(duì)應(yīng)的熒光粉發(fā)出的紫外線，順便提一下，短波UV-C目前被廣泛用于殺菌消毒功能產(chǎn)品，它放射的紫外線能量較大，如果沒(méi)有防護(hù)措施，極易對(duì)人體造成巨大傷害。如果裸露的肌膚被這類(lèi)紫外線燈照射，輕者會(huì)出現(xiàn)紅腫、疼癢、脫屑；重者甚至?xí)l(fā)癌變、皮膚腫瘤等。同時(shí)，它也是眼睛的“隱形殺手”，會(huì)引起結(jié)膜、角膜發(fā)炎，長(zhǎng)期照射可能會(huì)導(dǎo)致白內(nèi)障。

再來(lái)說(shuō)一下廢氣部分

VOC（揮發(fā)性有機(jī)物）主要包括苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、三氯乙烯、三氯甲烷、三氯乙烷、二異氰酸酯（TDI）、二異氰甲苯酯等和揮發(fā)性惡臭氣體如不飽和烴（如丁二烯、苯乙烯）、氮化物（如氨、甲基胺、糞臭素）、硫化物（如硫化氫、硫化甲基）、氯烴（如氯仿）、含氧烴（如丙酮）、植物精油（如樟腦油）等化合物。

惡臭污染物質(zhì)大多是氣相污染物，主要由碳、氫、氧、氮、硫、鹵素等元素構(gòu)成。就化學(xué)結(jié)構(gòu)而言，臭味物質(zhì)分子多因具剩余電子，而有刺激人類(lèi)嗅覺(jué)的特性。

廢氣處理技術(shù)目前分為物理、化學(xué)、生物等三大類(lèi)，一般可用單一技術(shù)或兩種以上技術(shù)組合來(lái)完成單一臭氣處理工作。常用的物理法是活性碳吸附或酸堿水洗噴淋，化學(xué)法是化學(xué)洗滌、焚化，生物法則包括生物洗滌、植物液噴灑、生物滴濾、生物濾床等，而在物理法除臭技術(shù)上，又研發(fā)出了等離子體法除臭。

而采用254nm波長(zhǎng)+185 nm波長(zhǎng)雙波段高效紫外線燈來(lái)處理廢氣在近兩年由國(guó)外傳至國(guó)內(nèi)，目前在國(guó)內(nèi)也得到廣泛應(yīng)用。本質(zhì)一是應(yīng)用了紫外線燈UVD185納米波段和O2結(jié)合產(chǎn)生的O3臭氧來(lái)氧化還原反應(yīng)廢氣，二是利用185納米短波紫外線的高能量來(lái)裂解有機(jī)廢氣，三是利用254納米紫外線照射涂有TIO2的媒介產(chǎn)生-OH來(lái)氧化有機(jī)廢氣。

二、光解光催化廢氣處理的技術(shù)特點(diǎn)：

  1.高效除惡臭：

      雙波段紫外線結(jié)合TiO2光解催化氧化設(shè)備能高效去除揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）、無(wú)機(jī)物、硫化氫、氨氣、硫醇類(lèi)等主要污染物，以及各種惡臭味，脫臭效果大大超過(guò)國(guó)家1993年頒布的（GB14554-93）惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)環(huán)保署公布的九大類(lèi)114種污染物均被證實(shí)可通過(guò)光解光催化氧化得到治理,即使對(duì)原子有機(jī)物如鹵代烴、燃料、含氮有機(jī)物、有機(jī)磷殺蟲(chóng)劑也有很好的去除效果。

   2.適用范圍廣：

       可適應(yīng)高、低濃度，大氣量，不同惡臭氣體物質(zhì)的脫臭凈化處理，可每天24小時(shí)連續(xù)工作，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

     3.運(yùn)行成本低：

       設(shè)備無(wú)任何機(jī)械動(dòng)作，無(wú)噪音，無(wú)需專(zhuān)人管理和日常維護(hù)，只需作定期檢查，設(shè)備能耗低，設(shè)備風(fēng)阻極低＜50pa，可節(jié)約大量排風(fēng)動(dòng)力能耗。其中TiO2 催化劑的壽命是無(wú)限延長(zhǎng)的，無(wú)需更換。

    4.科技含量高：

       采用先進(jìn)的高級(jí)氧化技術(shù)，突破單一體系的反應(yīng)局限，在整個(gè)反應(yīng)體系中，兩種氧化能力極強(qiáng)的氧化劑—O3和?OH參與反應(yīng)及185nm高能量紫外線直接裂解廢氣，使得脫臭效果更佳，惡臭氣體礦化程度更高，可無(wú)害化排放，無(wú)二次污染。

     5.設(shè)備占地面積小，自重輕：

      適合于布置緊湊、場(chǎng)地狹小等特殊條件；優(yōu)質(zhì)進(jìn)口材料制造，防水、防火、防腐蝕，使用壽命長(zhǎng)。

      6.產(chǎn)品性能穩(wěn)定：

      目前紫外線燈及專(zhuān)用高功率鎮(zhèn)流器技術(shù)成熟。為了日后方便維護(hù)檢修，每個(gè)鎮(zhèn)流器設(shè)置電源和工作指示燈，可根據(jù)指示燈排查燈管或整流器故障。根據(jù)反饋的不良現(xiàn)象只需更換燈管或鎮(zhèn)流器即可。

三、光解光催化三種技術(shù)的應(yīng)用原理

   1.利用臭氧的強(qiáng)氧化性

     雙波段紫外線的光譜圖如下：

其中185nm波長(zhǎng)紫外線，也叫真空紫外線，原理如下：

其中的O3就是常說(shuō)的臭氧，它有極強(qiáng)的氧化性，目前廢氣處理用的光解紫外線燈主要是利于185nm紫外線持續(xù)和O2結(jié)合產(chǎn)生的臭氧來(lái)分解有機(jī)廢氣。

例如H2S的處理，硫化氫是強(qiáng)還原劑，O3是強(qiáng)氧化劑，它們的反應(yīng)是：

但為什么經(jīng)常很多客戶反饋剛開(kāi)始效果后越往后效果越差呢？

其實(shí)這個(gè)根本原因主要是來(lái)源于185nm紫外線的透過(guò)率和玻璃晶格變化和雜質(zhì)影響導(dǎo)至的衰減有直接關(guān)系！

先來(lái)看一個(gè)圖：

這個(gè)是常規(guī)254nm波長(zhǎng)紫外線的衰減曲線圖，254nm紫外線和185nm紫外線是在汞原子被激發(fā)后同時(shí)放射的，常規(guī)無(wú)臭氧只有254NM波長(zhǎng)的紫外線燈是在石英玻璃里面加了TI（鈦），把185nm紫外線過(guò)濾掉了。而雙波段有臭氧紫外線燈則直接使用常說(shuō)的沒(méi)加TI的透明石英管。

254nm和185nm紫外線雖然在汞原子被激發(fā)后放射的比例不會(huì)改變，但185紫外線從石英玻璃管壁透出的比例和衰減程度受選用的石英玻璃材質(zhì)區(qū)別和針對(duì)石英玻璃的處理方式影響就差別非常大了。因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)越短的185nm紫外線對(duì)選用的石英材質(zhì)要求越高。

面前市面上通常說(shuō)的光解紫外線燈即臭氧燈，選用的石英玻璃一般是羥基含量小于15PPM，雜質(zhì)含量小于50MMP，純度在99.9%的石英玻璃，這種材料用于一般的制作紫外線殺菌用途的紫外線燈是可以的，因?yàn)?54nm波長(zhǎng)的紫外線透過(guò)相對(duì)來(lái)說(shuō)要求沒(méi)那么高，但185nm真空紫外線的透過(guò)對(duì)材料要求就比較高，真正的高臭氧紫外線燈羥基含量小于5PPM(實(shí)際上接近于0)，雜質(zhì)含量小于20MMP，純度在99.999%的石英玻璃，這種材質(zhì)的石英玻璃制作的紫外線燈比常規(guī)市面紫外線燈臭氧產(chǎn)出率高30%左右。這個(gè)還不是關(guān)鍵，*主要是這種真正的高臭氧專(zhuān)用石英玻璃它在10000小時(shí)壽命期內(nèi)185nm紫外線的衰減**只有20%，而常規(guī)有臭氧紫外線燈在點(diǎn)燈三四千小時(shí)185nm紫外線輸出衰減受玻璃材質(zhì)影響就近50%了!這才是越往后效果越不好的主要原因。

當(dāng)然，高純度高臭氧紫外線燈用石英玻璃比普通石英玻璃貴了一倍，并且要定制，由于市場(chǎng)混亂用戶不太清楚這個(gè)也是大部分廠家用不好的主要原因。

2.利用185nm波長(zhǎng)的高能量紫外線來(lái)打斷分子鍵

部分化學(xué)分子鍵的結(jié)合能

結(jié)合 結(jié)合能(KJ/mol) 結(jié)合 結(jié)合能(KJ/mol)

H-H 436 C-H 413

C-C 332 C-F 485

C=C 611 C-N 305

C≡C 837 C≡N 891

S-H 339 C-0 326

S-S 268 C=0（CO2） 728（803）

0=0 498 0-H 464

185nm波長(zhǎng)紫外線的光子能量高達(dá)647 KJ/mol，大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)的分子結(jié)合能比185nm波長(zhǎng)的的能量低，因此污染物質(zhì)分子鍵經(jīng)過(guò)185高能紫外線光能的裂解能被打斷，而大多數(shù)有機(jī)廢氣是C,H,O結(jié)構(gòu)的，且化學(xué)鍵小于185NM紫外線能量，所以能把這些有機(jī)廢氣在有O2的情況下分解成CO2和H02。

但是值得注意的是，185nm波長(zhǎng)紫外線是真空紫外線，一從燈管里出來(lái)就和O2結(jié)合產(chǎn)生了O3，所以他的“射程”極短，基本是在燈管表面或附近有少量強(qiáng)度，所以能通過(guò)185NM波長(zhǎng)紫外線打斷分鍵來(lái)處理的有機(jī)廢氣基本是能和燈管表面接觸或燈管近距離的一部分。

例：苯分子光解機(jī)理：

苯的分子結(jié)構(gòu)和分子鍵結(jié)合能：

苯是由氫原子(1s1) 和碳原子(1s22s22px12py1)構(gòu)成的

苯（benzene， C6H6)有機(jī)化合物，是組成結(jié)構(gòu)*簡(jiǎn)單的芳香烴，在常溫下為一種無(wú)色、有甜味的透明液體，并具有強(qiáng)烈的芳香氣味。苯可燃，有毒，為IARC**類(lèi)致癌物。苯難溶于水，易溶于有機(jī)溶劑，本身也可作為有機(jī)溶劑。苯具有的環(huán)系叫苯環(huán)，是*簡(jiǎn)單的芳環(huán)。苯分子去掉一個(gè)氫以后的結(jié)構(gòu)叫苯基，用Ph表示。因此苯也可表示為PhH。

苯與苯基

　　CAS號(hào) 71-43-2               沸點(diǎn) 353.25 K(80.1 ℃) 

　　RTECS號(hào) CY1400000

 C=C、C-C、C-H鍵鍵能分別為611kJ/mol、332kJ/mol、414kJ/mol

　　SMILESC1=CC=CC=C1            在水中的溶解度 0.18 g/100 ml 水

　　化學(xué)式 C6H6                    結(jié)構(gòu)平面六邊形

密度 0.8786g/mL              閃點(diǎn) -10.11℃（閉杯）

熔點(diǎn) 278.65 K(5.5 ℃) 　    自燃溫度 562.22℃

　　摩爾質(zhì)量 78.11 gmol-1  

標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵So 298173.26 J/mol?K

標(biāo)準(zhǔn)摩爾熱容 Cpo135.69 J/mol?K (298.15 K)

根據(jù)苯物質(zhì)結(jié)構(gòu)特性，我們不難理解，當(dāng)UV光子能量大于611kJ/mol時(shí)（取**鍵能值），苯環(huán)將被斷開(kāi)，形成離子狀態(tài)的C- C+ C-C+ C- C+及H- H+ H- H+ H- H+ ，在分子鍵被打斷后分別與臭氧發(fā)生氧化反應(yīng)。苯分子（C6H6）*終裂解氧化生成為CO2及H2O。

附：常見(jiàn)的廢氣污染物化學(xué)性質(zhì)及其物質(zhì)光解氧化轉(zhuǎn)換表

序號(hào) 名

稱(chēng) 分

子

式 分

子

量 氣味特征 主要化學(xué)鍵 對(duì)應(yīng)化學(xué)鍵鍵能KJ/mol 光化學(xué)反應(yīng)*終產(chǎn)物

1 氨 NH3 17 強(qiáng)刺激氣味，無(wú)色氣體。 H-N 389 H2O、N2

2 硫化氫 H2S 34 有臭雞蛋氣味，無(wú)色氣體 H-S 339 H2O  、SO42-

3 三甲胺 C3H9N 59 無(wú)色氣體，有魚(yú)腥惡臭 C-H、C-N 414、305 H2O  、N2、CO2

4 苯酚 C6H5OH 94 常溫下為一種無(wú)色或白色晶體有特殊芳香氣味 C=C、C-H

C-O 611、414、326 H2O、CO2

5 苯 C6H6 78 常溫下為一種無(wú)色、有甜味的透明液體，并具有強(qiáng)烈的芳香氣味 C=C、C-H 611、414 H2O  、CO2

6 甲苯 C7H8 92 常溫下為清澈的無(wú)色液體，具有類(lèi)似苯的芳香氣味。 C=C、C-H、

C-C 611、414、332 H2O、CO2

7 二甲苯 C6H4(CH3)2 106 常溫下為無(wú)色液體，具有類(lèi)似苯的芳香氣味。 C=C、C-H、

C-C 611、414、332 H2O、CO2

8 苯乙烯 C8H8 104 無(wú)色、有特殊香氣的油狀液體 C=C、C-C、

C-H 611、332、414 H2O、CO2

9 乙酸乙酯 C4H8O2 88 無(wú)色透明有芳香氣味的液 C-H、C-O、

C=O、C-C 414、326、

728、332 H2O、CO2

10 甲硫醚 C2H6S 62 有難聞的氣味 C-C、C-H、

C-S 332、414、272 H2O、CO2、SO42-

11 甲硫醇 CH4S 48 無(wú)色氣體，有不愉快的氣味 C-S、C-H、H-S 272、414、339 H2O、CO2、SO42-

12 二甲二硫 C2H6S2 94 淡黃色透明液體，有惡臭 S-S、H-S、S-C、C-H 268、339、268、414 H2O、CO2、SO42-

13 乙醛 C2H4O 44 無(wú)色易流動(dòng)液體，有刺激性氣味 C=C、C-O、

C-H 611、326、414 H2O、CO2

14 甲醇 CH3OH 32 無(wú)色有酒精氣味易揮發(fā)的液體，有毒 C-H、C-O、

H-O 414、326、464 H2O、CO2

15 丙烯醛 C3H4O 56 無(wú)色或淡黃色液體，有惡臭 C=C、C-O、

C-H 611、326、414 H2O、CO2

16 苯胺 C6H5NH2 93 無(wú)色油狀液體，有特殊氣味 C=C、C-H、N-H、C-C 611、414、

389、332 H2O、CO2、N2

其中所說(shuō)的光化學(xué)反應(yīng)，一是打斷分子鍵裂解分子結(jié)構(gòu)，二是同時(shí)氧化還原反應(yīng)，兩種作用其實(shí)是同時(shí)進(jìn)行的。

3.利用254nm波長(zhǎng)的紫外線的光催化作用來(lái)分解有機(jī)廢氣

  光催化原理是日本人發(fā)明的，這個(gè)目前在家用空氣凈化機(jī)上目前也被廣泛應(yīng)用，

由于這些特點(diǎn)，他的一次生分解效率較低，所以比較適用空氣不斷循環(huán)的室內(nèi)環(huán)境，可以往返不斷分解不斷稀釋起到空氣凈化的作用，在工業(yè)廢氣處理中往往氣體是一次性通過(guò)，就算多加幾層光催化網(wǎng)幾次紫外線燈，能起輔助作用，不能完全靠它來(lái)有效有分有機(jī)廢氣。

同時(shí)，光催化對(duì)涂有TIO2（二氧化鈦）的原料納米等級(jí)也是有特別要求，對(duì)于他的附著處理**是配金屬網(wǎng)燒結(jié)形式固定，不是隨便噴涂上去就可以，要不然會(huì)很快失效（針對(duì)光催化的應(yīng)用豪澋環(huán)保另用專(zhuān)門(mén)文章講解）。

四、光解光催化技術(shù)在廢氣處理中的**應(yīng)用方式

前期進(jìn)氣要預(yù)處理到位，比如噴淋、過(guò)濾，等離子等，要保證進(jìn)氣無(wú)固定污染物（否則燈管表面附著物過(guò)多短波紫外線很難透過(guò)），然后讓主要有機(jī)無(wú)機(jī)廢氣成份經(jīng)過(guò)雙波段紫外線燈的光解反應(yīng)區(qū)，然后讓氣體再經(jīng)過(guò)254納米波長(zhǎng)單波段光催化輔助反應(yīng)區(qū)，在這個(gè)反應(yīng)區(qū)一是光催化分解，另外更重要的一點(diǎn)是254nm波長(zhǎng)紫外線會(huì)大量分解掉反應(yīng)完過(guò)量的O3臭氧（困為排放到大氣中的O3也是一種污染原），使O3還原成氧氣，O3還原成氧氣的過(guò)程會(huì)有大量活氣O原子，在光催化的作用上會(huì)進(jìn)一步配合分解反應(yīng)。同時(shí)，如果在末端再加上一至兩層臭氧催化網(wǎng)分解掉殘余的少量臭氧，這樣排放出來(lái)的空氣則潔凈如新。

補(bǔ)充：本文只從紫外線燈的原理方面詳細(xì)分析了光解光催化紫外線燈在廢氣處理中的應(yīng)用，至于不同的氣體成份不同的濃度時(shí)需多少紫外線燈這個(gè)課題很多應(yīng)用廠家已建立實(shí)驗(yàn)室在研究，隨后我司的工程樣機(jī)到位后我們也會(huì)做進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)用事實(shí)說(shuō)話來(lái)和大家分享。

*后希望大家多做研究，用科學(xué)依據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證產(chǎn)品，做出更多有真正的好產(chǎn)品為國(guó)家的環(huán)保事業(yè)做出貢獻(xiàn)！