紫外線UV光解到底有多厲害？有機(jī)廢氣VOCs污染怎么治理？

你不了解的紫外線UV光解到底有多厲害？

有機(jī)廢氣VOCs污染能不能被治理干凈？

改革開放30多年以來(lái)，工業(yè)廢氣排放越來(lái)越多，在黨的十八大、十九大中，習(xí)近平總書記提出科學(xué)發(fā)展觀，提出生態(tài)文明的戰(zhàn)略發(fā)展思路。對(duì)于工業(yè)和生活領(lǐng)域，如何有效的處理有機(jī)廢氣和治理空氣污染，缺是一個(gè)重大課題。近年來(lái)UV光解技術(shù)在處理?yè)]發(fā)性有機(jī)廢氣（VOCs）和除臭方面得到了廣泛應(yīng)用。但是，對(duì)于UV光解技術(shù)處理VOCs的效果卻褒貶不一。UV光解的原理是什么？其效果到底怎么樣？是否能有效的處理廢氣改善空氣質(zhì)量？

答案當(dāng)然是肯定的，下面我們就一起來(lái)探討下UV光解的一些知識(shí)。

一、什么是紫外線UV光？

我們平時(shí)常見(jiàn)的白色太陽(yáng)光，實(shí)際上是由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種單色光組成的。其中可見(jiàn)光處在波長(zhǎng)380-780nm之間（有的說(shuō)400-800nm）。紫外光是電磁波譜中波長(zhǎng)從10~380nm輻射的總稱，肉眼是看不到的。

紫外光開始于可見(jiàn)光的短波極限，而與X射線的長(zhǎng)波波長(zhǎng)相重疊。紫外光可劃分為長(zhǎng)波（UVA，315～380nm）、中波(UVB，280～315nm)、短波(UVC，200～280nm)、真空紫外(UVD，10～200nm)4個(gè)波段，相應(yīng)的源分別稱之為長(zhǎng)波、中波、短波和真空紫外光源。

二、什么是紫外光源？

紫外光源是以產(chǎn)生紫外輻射的的非照明用光源。紫外光源具有熒光效應(yīng)、生物效應(yīng)、光化學(xué)效應(yīng)和光電效應(yīng)，適用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和醫(yī)療等領(lǐng)域。

紫外光源主要有紫外線高壓汞燈（～365nm）、低壓汞燈(～254nm和185nm)等等。低壓汞燈是利用較低汞蒸汽壓（<10-2Pa）被激化而發(fā)出紫外光，其發(fā)光譜線主要有兩條：一條是254nm波長(zhǎng)；另一條是185nm波長(zhǎng)，這兩條都是肉眼看不見(jiàn)的紫外線。

由于紫外線無(wú)法通過(guò)普通玻璃，因此必須使用石英玻璃，而且是高純度的石英玻璃，對(duì)雜質(zhì)含量要求非常高。如果在石英玻璃中含有鈦元素，對(duì)200nm以下的紫外線具有截止作用，而對(duì)254nm紫外線透過(guò)基本無(wú)影響。利用這個(gè)原理，可以通過(guò)控制鈦元素的添加量，可有效的控制185nm紫外線的逸出（通過(guò)）量。由于185nm的紫外線能夠激發(fā)空氣中的氧氣生成臭氧（O3），因此通過(guò)改變石英玻璃的性能，控制臭氧產(chǎn)生量，以制作低臭氧(無(wú)臭氧)、臭氧、高臭氧等三種紫外燈管。

除高壓汞燈、低壓汞燈外，目前部分企業(yè)還生產(chǎn)出更多類型的紫外光源，成都巨源光電生產(chǎn)的微波無(wú)極紫外燈、鐵燈、雙管微波無(wú)極紫、快速啟動(dòng)碘鎵燈、球型氙氣燈、脈沖氙燈3D打印疝氣燈等都能發(fā)出既定范圍內(nèi)的紫外線。加上自主研發(fā)的微波無(wú)極紫外光泵和微波無(wú)極紫外設(shè)備，使紫外線強(qiáng)度更高，更易控制，可以同時(shí)并存微波、紫外線、臭氧三者并存共同起到殺菌消毒、表面清潔改性、材料光固化、有機(jī)污染物分解等作用。

三、光子能量與化學(xué)鍵鍵能怎么計(jì)算？

光子能量計(jì)算公式為：E(能量)=h(普朗克常數(shù))×H(頻率)，可將計(jì)算公式簡(jiǎn)化為E=1240/λ（λ為光波長(zhǎng)，nm），光子能量可以按照這個(gè)簡(jiǎn)單公式來(lái)計(jì)算，光子波長(zhǎng)越短其能量越高。100nm光子能量為12.4eV；200nm光子能量為6.2eV；300nm光子能量為4.1eV；400nm光子能量為3.1eV。

表2為揮發(fā)性有機(jī)物中常見(jiàn)的化學(xué)鍵的鍵能，同時(shí)增加了氧氣（O2）的鍵能。從表中可以看出，C-N和C-S鍵的鍵能較低，容易斷裂。氧氣（O2）中的O=O的鍵能為5.16eV。當(dāng)紫外光的光子能量大于化學(xué)鍵鍵能時(shí)，紫外光光子可以破壞化學(xué)鍵。由于C-N和C-S鍵的鍵能較低，因此任何波長(zhǎng)的紫外光都可以解離C-N和C-S鍵。而O2中O=O鍵的鍵能為5.16eV，對(duì)應(yīng)的紫外光波長(zhǎng)為240nm，理論上波長(zhǎng)小于240nm的紫外光，可以解離氧氣分子生成氧原子。氧原子再與氧分子結(jié)合生成臭氧（O3），這也是為什么185nm紫外光能夠生成臭氧，而254nm紫外光不生成臭氧的原因。

四、紫外光是怎么消除VOCs和消除惡臭？

從前面的分析可知，當(dāng)紫外光照射VOCs時(shí)，如果紫外光波長(zhǎng)在240nm以上，那么無(wú)法激發(fā)氧氣生成臭氧，但能激發(fā)鍵能較低的C-N和C-S鍵，也可以使之解離。但是紫外光波長(zhǎng)小于240nm時(shí)，不但能激發(fā)氧氣生成臭氧，還能對(duì)鍵能較高的化學(xué)鍵起到激發(fā)和解離作用。如果化學(xué)鍵得到激發(fā)，那么有機(jī)物分子變的更為活潑，使得容易進(jìn)一步氧化。

當(dāng)前紫外光在VOCs和惡臭消除領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，與UV光相關(guān)技術(shù)有UV光解氧化技術(shù)、光催化技術(shù)、臭氧氧化技術(shù)，具體如下：

1.什么是光催化技術(shù)？

光催化劑是在光的照射下，自身不起變化，卻可以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)。光催化劑是利用光能轉(zhuǎn)換成為化學(xué)反應(yīng)所需的能量，來(lái)產(chǎn)生催化作用，使周圍之氧氣及水分子激發(fā)成極具氧化力的OH-及O2-自由負(fù)離子。幾乎可分解所有對(duì)人體和環(huán)境有害的有機(jī)物質(zhì)。目前效果較好的是二氧化鈦（TiO2）光催化劑，TiO2光催化劑只能在紫外光照下有效，可見(jiàn)光是無(wú)效的。光催化技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)是必須有高性能的光催化劑。據(jù)悉光催化的反應(yīng)效率（速度）相對(duì)比較低。玻璃的自清潔就是利用光催化的原理。

2.什么是臭氧氧化技術(shù)？

由于在240nm以下紫外光能夠產(chǎn)生臭氧，在此有必要解釋一下臭氧。臭氧（O3）是一個(gè)非常強(qiáng)的氧化劑，能在短時(shí)間內(nèi)將空氣中的浮游細(xì)菌消滅，分解毒氣、VOCs，去除惡臭。因此臭氧可用于凈化空氣、飲用水，殺菌，處理工業(yè)廢物和作為漂白劑。臭氧也能與VOCs反應(yīng)，將VOCs氧化成無(wú)毒無(wú)害的CO2和H2O。

3．什么是UV光解技術(shù)？

UV光解技術(shù)作為消除VOCs和惡臭目前比較流行的技術(shù)，特別在處理低濃度VOCs方面有很多的應(yīng)用。在網(wǎng)絡(luò)上可以看到許多環(huán)保產(chǎn)品宣傳都用UV光解氧化這個(gè)名字。然而，從“UV光解”這個(gè)名字，讓人的感覺(jué)是紫外光來(lái)解離有機(jī)物直接把VOCs破壞了。實(shí)際中應(yīng)用中，都是采用簡(jiǎn)單的185和254nm的紫外燈管。根據(jù)前面介紹，我們很容易想到，只要有185nm的紫外線，就會(huì)有臭氧產(chǎn)生。臭氧具有非常強(qiáng)的氧化性，它能和所有有機(jī)物反應(yīng)，破壞有機(jī)物分子，如果有足夠的臭氧，最終可以將有機(jī)物氧化到二氧化碳和水。當(dāng)然，紫外光也能夠破壞有機(jī)物，但是這些有機(jī)物碎片能否與氧氣反應(yīng)不得而知。破壞有機(jī)物并不等于把有機(jī)物轉(zhuǎn)換為無(wú)害的二氧化碳和水，如果僅僅把大分子打碎變成小分子，那么VOCs依然存在。這些有機(jī)物碎片估計(jì)不能與氧氣反應(yīng)，如果能與氧氣反應(yīng)，那么就不需要光催化技術(shù)了。因此，所謂UV光解（氧化）技術(shù)如果沒(méi)有光催化劑的配合，其實(shí)就是臭氧氧化技術(shù)。

對(duì)于UV光解技術(shù)的脫臭，由于惡臭物質(zhì)一般含有N和S的有機(jī)物，而有機(jī)物中的C-N鍵和C-S鍵的鍵能較低，很容易和臭氧也很容易被UV光解離，只要破壞了有機(jī)物中的C-N鍵和C-S鍵，那么臭味將大大降低或消失。這也許是我們經(jīng)常聽到的UV光解對(duì)惡臭效果較好的原因。

如果UV光解設(shè)備，沒(méi)有配備光催化劑，假設(shè)只通過(guò)臭氧來(lái)氧化VOCs。以甲苯為例，假設(shè)甲苯濃度為10ppm（41mg/m3），風(fēng)量為10000m3/h。通常來(lái)說(shuō)臭氧中只有一個(gè)活性氧[O]，如果按照如下化學(xué)計(jì)量反應(yīng)：

C7H8(甲苯)+18O3=7CO2+H2O+8O2

假設(shè)臭氧全部利用，不發(fā)生逃逸。那么10ppm甲苯，需要180ppm的臭氧（O3），即385mg/m3。

傳統(tǒng)的185nm的UV光管，每瓦每分鐘產(chǎn)生0.1mg臭氧，也就是每瓦每小時(shí)產(chǎn)生6mg臭氧。即1m3/h氣體需要配置64W功率的UV光管（假設(shè)出生臭氧是線性的）。如果處理1000m3/h，需要64KW的光管，這樣的能量消耗已經(jīng)非常大了。如果采用電暈放電法臭氧發(fā)生器，文獻(xiàn)上查到的數(shù)據(jù)是1000g臭氧耗能7500W，是1m3/h需要那么2.9W，1000m3/h只需要2.9KW。也就是說(shuō)，如果僅僅利用了UV光的臭氧，那么效率是相對(duì)低下的。

假如按照如下化學(xué)計(jì)量發(fā)生反應(yīng)：

C7H8(甲苯)+6O3=7CO2+H2O

那么處理1000m3/h的有機(jī)廢氣，前者需要21.3KW（即使這樣實(shí)際中也是不可能，后者需要0.97KW。

還有一個(gè)可能是，如果有機(jī)物的鍵（C-C，C-H鍵）能夠被UV光打斷，是否能直接能與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成CO2和H2O。那么，如果這種方式成立的話，就不需要前面所講的光催化劑了，可見(jiàn)被UV打碎的有機(jī)分子，是不容易和氧氣反應(yīng)生成CO2和H2O。即使這個(gè)過(guò)程成立，那么打碎有機(jī)分子也是需要能量的，由于計(jì)算難度太，這里無(wú)法給出定量的數(shù)據(jù)了。

五、如何彌補(bǔ)紫外線消毒除VOCs和消除惡臭的缺點(diǎn)？

目前，采用微波無(wú)極紫外燈技術(shù)可以大大提高紫外線燈的消毒殺菌以及光解VOCs效率。微波無(wú)極紫外燈同時(shí)具有微波、紫外線、臭氧三大功能。比如成都巨源光電生產(chǎn)的微波無(wú)極紫外光泵，微波無(wú)極紫外燈和微波無(wú)極紫外設(shè)備都很好的解決了這個(gè)問(wèn)題，而且比傳統(tǒng)的紫外線燈發(fā)光效率高數(shù)十倍，處理完全。

微波：

可使細(xì)胞中極性物質(zhì)隨高頻微波場(chǎng)的震動(dòng)受到干擾和阻礙，引起微生物細(xì)胞的蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子受熱凝固或變性失活從而導(dǎo)致其突變或死亡。

紫外線：

253.7nm紫外線通過(guò)照射微生物的DNA，使其發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)從而變性失活，是目前公認(rèn)的最佳消毒光譜線。

臭氧（O3）：

微波激發(fā)的185nm射線于空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)生成的臭氧具有強(qiáng)氧化作用，對(duì)從烴到羧酸種類眾多的有機(jī)物的分解都有效，可有效的殺滅細(xì)菌；臭氧的彌散性可以彌補(bǔ)紫外線只沿直線傳播、消毒有死角的缺點(diǎn)。

 六、光解UOCs的應(yīng)用？