UV光解凈化原理
大自然具有十分強(qiáng)大的自我修復(fù)功能,例如排放在大氣中的廢氣物質(zhì),經(jīng)過一段時(shí)間廢氣物質(zhì)會(huì)慢慢被分解掉,其中最主要的過程是發(fā)生了光化學(xué)反應(yīng)。廢氣物質(zhì)通過吸收光子或其他粒子的能量,使得化學(xué)鍵斷裂,形成游離態(tài)的原子,再經(jīng)過一系列的氧化還原等反應(yīng),最終生成H2O和CO2等簡單物質(zhì)。
經(jīng)過長期研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)化學(xué)物質(zhì)通過吸收能量(如熱能,光子能量等),可以使自身的化學(xué)性質(zhì)變得更加活躍甚至被裂解。當(dāng)吸收的能量大于化學(xué)鍵鍵能,即可使得化學(xué)鍵斷裂,形成游離的帶有能量的原子或基團(tuán)。我們通過提供UV-D波段內(nèi)的真空紫外線(波長范圍170-184.9nm),促使有機(jī)廢氣物質(zhì)通過吸收該波段的光子,而該波段的光子能量大于絕大多數(shù)的化學(xué)鍵鍵能,使得有機(jī)物質(zhì)得以裂解;再通過裂解產(chǎn)生的臭氧將其氧化成簡單,無害,穩(wěn)定的物質(zhì),如H2O和CO2等。
由于與有機(jī)廢氣的燃燒本質(zhì)一樣,都是通過分子吸收能量(燃燒吸收的熱能,光解吸收的是光子能量)被裂解后氧化生成簡單物質(zhì),而光解的反應(yīng)溫度為常溫,故我們也習(xí)慣稱其為“冷燃燒”。
通過采用UV-D波段內(nèi)的真空紫外線(波長范圍170-184.9nm),破壞有機(jī)廢氣分子的化學(xué)鍵,使之裂解形成游離狀態(tài)的原子或基團(tuán)(C*,H*,O*等);同時(shí)通過裂解混合空氣中的氧氣,使之形成游離的氧原子并結(jié)合生成臭氧【UV+O2→O- O*(活性氧) O O2→O3(臭氧)】。具有強(qiáng)氧化性的臭氧(O3)與有機(jī)廢氣分子被裂解生成的原子發(fā)生氧化反應(yīng),形成H2O和CO2。整個(gè)反應(yīng)過程不超過0.1秒,凈化效果與廢氣分子的鍵能,廢氣濃度以及含氧量有關(guān)。整個(gè)凈化過程無需添加任何化學(xué)助劑或者特殊限制條件。
例:苯分子光解氧化機(jī)理:
圖1 苯分子UV光解氧化反應(yīng)機(jī)理
UV光解原理簡述:在波長范圍170nm-184.9nm(704 kj/mol - 647 kj/mol)高能紫外線的作用下,一方面空氣中的氧氣被裂解,然后組合產(chǎn)生臭氧(見反應(yīng)①,②);另一方面將惡臭氣體的化學(xué)鍵斷裂,使之形成游離態(tài)的原子或基團(tuán)(見反應(yīng)③);同時(shí)產(chǎn)生的臭氧參與到反應(yīng)過程中,使惡臭氣體最終被裂解,氧化生成簡單的穩(wěn)定的化合物,如SO2,H2O等(見反應(yīng)④)。
由上述分子式可見,高能紫外線光能將高分子量的惡臭化學(xué)物質(zhì),裂解為獨(dú)立的,呈游離狀態(tài)的污染物原子,再通過分解空氣中的氧氣,產(chǎn)生性質(zhì)活躍的正負(fù)氧離子,繼而生成臭氧,同時(shí)將裂解為獨(dú)立的,呈游離狀態(tài)的污染物原子通過臭氧的氧化反應(yīng),重新聚合成低分子的化合物如:水,二氧化碳等。
該原理的理論基礎(chǔ)是高能紫外線燈管發(fā)射的高能紫外線產(chǎn)生的光子所具有的能量必須大于惡臭氣體分子的分子鍵結(jié)合能,才能將惡臭氣體分子裂解,并與同時(shí)裂解產(chǎn)生的臭氧進(jìn)行氧化反應(yīng),重新生成無污染的H2O和CO2。
例如噴漆廢氣中所含污染物主要成分為苯,甲苯,二甲苯,其分子式如下:
圖3 苯,甲苯,二甲苯(以鄰二甲苯為例)分子結(jié)構(gòu)式
由圖可知,苯,甲苯,二甲苯分子中所含化學(xué)鍵包括C-C鍵,C=C鍵和C-H鍵,下表列出了有機(jī)物中常見化學(xué)鍵及其鍵能參數(shù):
表1 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-O |
326 |
S-S |
268 |
C=O(CO2) |
728(803) |
O=O |
498 |
O-H |
464 |
表中包含了苯,甲苯,二甲苯等的幾乎所有化學(xué)鍵鍵長,鍵能參數(shù),而這些鍵能絕大部分低于UV高效光解設(shè)備的UV光子最高能量(704kJ/mol)。所以理論上以上幾種化合物都是能被裂解的。
廢氣分子只被裂解成原子,自由基是不夠的,還需要通過臭氧將其氧化成穩(wěn)定的小分子,如CO2,H2O等,從而達(dá)到廢氣凈化的目的。故需要有充分的氧氣被高能UV光照射生成臭氧。
在滿足有機(jī)廢氣分子鍵能低于UV光子能量以及含氧量充足的條件下,根據(jù)風(fēng)量情況配置合適的UV光解設(shè)備,可以保證達(dá)到《大氣污染物排放限值》(DB44/27-2001)中的第二時(shí)段排放標(biāo)準(zhǔn)。
表2 常見的廢氣污染物化學(xué)性質(zhì)及其物質(zhì)光解氧化轉(zhuǎn)換表
序號 |
名 稱 |
分 子 式 |
分 子 量 |
氣味特征 |
主要化學(xué)鍵 |
對應(yīng)化學(xué)鍵鍵能KJ/mol |
光化學(xué)反應(yīng)最終產(chǎn)物 |
1 |
氨 |
NH3 |
17 |
強(qiáng)刺激氣味,無色氣體。 |
H-N |
389 |
H2O,N2 |
2 |
硫化氫 |
H2S |
34 |
有臭雞蛋氣味,無色氣體 |
H-S |
339 |
H2O ,SO42- |
3 |
三甲胺 |
C3H9N |
59 |
無色氣體,有魚腥惡臭 |
C-H,C-N |
414,305 |
H2O ,N2,CO2 |
4 |
苯酚 |
C6H5OH |
94 |
常溫下為一種無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 |
常溫下為清澈的無色液體,具有類似苯的芳香氣味。 |
C=C,C-H, C-C |
611,414,332 |
H2O,CO2 |
7 |
二甲苯 |
C6H4(CH3)2 |
106 |
常溫下為無色液體,具有類似苯的芳香氣味。 |
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 |