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光解光催化廢氣處理用紫外線(xiàn)燈應(yīng)用技術(shù)探討

光解光催化廢氣處理用紫外線(xiàn)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(xiàn)

紫外線(xiàn)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(xiàn)(UV-D)，波長(zhǎng)200nm到280nm為短波紫外線(xiàn)(UV-C)，波長(zhǎng)280nm到315nm的為中波紫外線(xiàn)(UV-B)，波長(zhǎng)315nm到400nm的為長(zhǎng)波紫外線(xiàn)(UV-A)。紫外線(xiàn)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(xiàn)，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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)過(guò)多輻射的話(huà)，就會(huì)損害人體的皮膚。除了曬黑曬傷皮膚，紫外線(xiàn)還會(huì)加速皮膚老化。短波紫外線(xiàn)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(xiàn)，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(xiàn)，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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的高能量來(lái)裂解有機(jī)廢氣，三是利用254納米紫外線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的光譜圖如下：

其中185nm波長(zhǎng)紫外線(xiàn)，也叫真空紫外線(xiàn)，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(xiàn)燈主要是利于185nm紫外線(xiàn)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(hù)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(xiàn)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(xiàn)的衰減曲線(xiàn)圖，254nm紫外線(xiàn)和185nm紫外線(xiàn)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(xiàn)燈是在石英玻璃里面加了TI（鈦），把185nm紫外線(xiàn)過(guò)濾掉了。而雙波段有臭氧紫外線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)殺菌用途的紫外線(xiàn)燈是可以的，因?yàn)?54nm波長(zhǎng)的紫外線(xiàn)透過(guò)相對(duì)來(lái)說(shuō)要求沒(méi)那么高，但185nm真空紫外線(xiàn)的透過(guò)對(duì)材料要求就比較高，真正的高臭氧紫外線(xiàn)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(xiàn)燈比常規(guī)市面紫外線(xiàn)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(xiàn)的衰減**只有20%，而常規(guī)有臭氧紫外線(xiàn)燈在點(diǎn)燈三四千小時(shí)185nm紫外線(xiàn)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(xiàn)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(hù)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)是真空紫外線(xiàn)，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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)燈的原理方面詳細(xì)分析了光解光催化紫外線(xiàn)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(xiàn)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(huà)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)！