[发明专利]紫外光催化氧化协同生物过滤去除VOCs的方法

说明书

技术领域

本发明属于大气环境污染治理、生物过滤和环境污染治理技术领域，具体涉及一种以纳米Na₂Ti₆O₁₃/TiO₂为催化剂的紫外光催化氧化协同生物过滤除VOCs的方法。

背景技术

挥发性有机物(VOCs)是导致珠三角上空灰蒙蒙的重要污染物，严重影响了大气质量、动植物生长以及人类健康，且具有安全隐患。它主要来源于机械行业、表面防腐、防锈处理、塑胶制品生产、家用电器、绝缘材料、人工革工业、石油化工、制药工业、印刷工业、食品包装等行业排放废气中的主要污染物。有报道表明：2007年，广东省的灰霾天达到75.7天，为解放后最多的年份；2007年，深圳灰霾天气达231天，而2006年是164天；2007年12月，广州市灰霾天气多达22天。VOCs按其化学结构分为8类：烷类、芳烃类、烯类、卤烃类、酯类、醛类、酮类和其它化学物。大多具有毒性并伴有恶臭，有些还有致癌物质，如氯乙烯、苯、甲苯、二甲苯等。而且，多数VOCs易燃、易爆，这对企业生产带来诸多的不安全因素。因此，世界各国都颁布了相应的法令，限制该类污染物的排放。美国《净化大气法》强调在未来几年要减少189种有毒化学品90％的排放，其中70％的化学品是挥发性有机化合物；我国于1997年颁布并实施的《大气污染物综合排放标准》，限定33种污染物的排放限量，其中包括有苯、甲苯、二甲苯等多种挥发性有机物。

生物净化技术的实质是附着在滤料介质中的微生物在适宜的环境条件下，利用废气中的有机成分作为能源，维持其生命活动，并将有机物分解为二氧化碳、水、无机盐和生物质等无害或少污染的物质。生物净化技术有生物滴滤和生物过滤之分，具有设备简单、运行费用低、较少形成二次污染等优点，尤其在处理低浓度、生物降解性好的气态污染物时更显其经济性。而传统的吸附法与吸收法只是污染物质从气相到固相/液相的转移，存在二次污染问题；吸收法常用的吸收剂是水，对毒性较大的苯类等水溶性差的有机污染物几乎没有效果。因此，生物法净化挥发性有机化合物已经成为当今世界上人们广泛关注的研究方向和前沿课题之一。自德国在20世纪80年代后期应用生物净化技术处理VOCs取得成功后，在荷兰、日本、瑞士、美国、澳大利亚等国家，生物净化技术均得到了广泛应用。目前，国外已有公司可提供成套技术和装置；国内的研究开始应用于工业化。同时，生物法由于微生物对难降解有机物的降解速度慢，如标准的活性污泥法需要28天才能将50％的邻苯二甲酸酯类污染物PAEs完全矿化，在实际应用中受到限制，成为目前生物法的研究重点。

近年来，光催化降解法由于能耗低、操作简便、反应条件温和、可减少二次污染等特点，成为去除VOCs的一种较好方法。纳米TiO₂的光催化综合性能好，对人体无毒，在紫外线辐射条件下，常温常压下就能直接用空气中的O₂作氧化剂，将有害有毒的有机物分解为无害无毒的简单化合物。在空气体系中，在太阳光尤其是在紫外光的照射下，纳米TiO₂能够自行分解出自由移动的带负电荷的电子(e^-)和带正电的空穴(h⁺)，形成电子-空穴对。吸附在催化剂表面的空气中的氧气和微量水分别被光生电子和空穴还原或氧化为O^2-和·OH，二者为有机物的深度氧化提供了高活性的氧化剂。因其具有投资少、运行费用低、处理效果好、无二次污染等优点，主要应用于大气的净化、工厂VOCs的处理、宇宙飞船内的气体净化、室内环境中异味去除和杀菌等。20世纪90年代，国际上开始尝试用纳米TiO₂作为光催化剂，在常温常压下对有机废气进行光催化氧化处理。结果表明，纳米TiO₂能将有机废气分解为小分子物质、CO₂和H₂O，反应快速、高效且无二次污染，因而具有非常大的潜在应用价值，到目前已成为废气治理技术中一个活跃的研究方向。也有研究表明，纳米TiO₂的光催化氧化对醛类、酮类、醇类等含氧有机物，烃、炔等不饱和烃及卤代烃具有较好的降解性，而短链的烷烃、环烷烃、多环烷烃可以进一步通过生物过滤降解。近年来的研究还发现，不少钛酸盐也具有很好的光催化效果，比如钛酸铯、钛酸钠等，其中碱金属类钛酸盐拥有独特的晶体结构，比TiO₂纳米粉和纳米膜具有更大的比表面积和更高的表面能，因而更有利于投入应用。因此，多种技术协同净化，可以提高难降解挥发性有机物的去除效率，使得生物过滤技术真正可以实现实用化。

发明内容