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紫科环保周永毅:光催化技术设计要多个维度周全考虑

日期: 2018-05-30
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5月5日上午,在“第五届重点行业有机废气(VOCs)污染治理及监测技术交流会”的开放讨论日活动中,广州紫科环保科技股份有限公司副总裁周永毅参与了本次交流,他从自己多年工作中,总结了以下九条光催化技术设计需要考虑的细节和注意事项:


1. 关于复合光催化技术名称统一和规范化的问题;


1972年,日本Fujishima(藤岛昭教授)发现了光催化现象。1999年由于纳米技术得到了突破性进展,光催化终于正式登上了国际研究舞台。目前,光催化已经成为发达国家老幼皆知的环保代名词。


然而,国内关于光催化技术的认识还不够全面,很多废气治理公司或是从业者,普通认为只要有紫外灯的设备,都可以称之光催化技术,这是错误的观点和行业乱象所致。顾名思义,光催化技术,那肯定得有“光”和“催化剂”共同作用才行。


目前,废气治理上市场上,关于紫外灯的废气治理设备有:复合光催化技术、光催化氧化技术、光触媒技术、UV光分解技术、光氧化技术、光化学技术等等。在废气治理市场上,真正使用到催化剂的设备少之又少,毕竟催化剂所需费用占光催化设备成本的30-50%,几乎可以生产一套没有催化剂的光氧化设备。


2. 选用复合光催化技术时,需充分考虑系统的预处理技术;


在设计废气、VOCs和异味治理项目时,不能考虑废气的单一指标治理,我们充分认识废气有组成和成份。通常情况下,待处理废气中会含有粉尘、颗粒物、液态等。为了保证废气的治理效果,我们一般需要考虑先处理废气中的粉尘、颗粒物和液态。例如,对于含粉尘比较高的废气,要先配置除尘技术,若不先去除废气中的粉尘和颗粒,这些固态物质会附着在催化剂和紫外灯的表面,影响系统的处理效果。对于特殊的固态物质,可能还会存在着着火的隐患。而对于水含量较高的废气,应当先除湿。


3. 紫外灯数量的设计;不同行业、不同废气成份、不同浓度的废气,所选择的紫外灯数量均有所不同;


在废气治理市场上,我们发现光催化技术广泛应用于各行各业,也受到了市场的欢迎和认同。但是,在一些偏远的区域,或是环保监督不够严格的地区,光催化技术成为应付检查的装置。大家没有认真的面对,没有科学的设计,没有系统的规划,在一个方箱里放几支紫外灯,就对外宣称是复合光催化技术设备。


在选择光催化技术时,我们需分析待处理废气的行业、成份、浓度等因素,通过这一些条件来确定紫外灯的数量。光催化技术不是万能技术,它有它的局限性,大家选用时一定要考虑各种因素和谨慎使用。


4. 紫外灯如何选型,要从功率、长度、波段等角度考察;


对于光催化技术而言,紫外灯是核心,其关乎处理效果的好坏。对于光源的考核有两个参数:波长与光强。只有吸收了一定波长范围内的光,TiO2催化剂才可以克服其禁带的能量,在其表面会产生电子-空穴。研究结果表明,紫外光波长在185-254nm,很难打破分子键,更适合于光氧化技术。而光催化技术更加适合选用387nm和365nm波长的紫外灯,在市场上很找到387nm的紫外灯,所以很时候光催化技术选用365nm波长的紫外灯。


另外,紫外灯的功率有15-320W,长度范围135-1554mm。废气治理从业者,需根据设计的背景和目标值,正确的和科学的选择紫外灯的功率及长度。


5. 紫外灯的布置间距如何确定,其与催化剂之间的距离多少合适?


衡量光催化技术的好坏,主要先看紫外灯,而紫外灯的考核参数为波长与光强。所以在设计时,除了要考虑紫外灯的功率、长度和波段外,在设计和加工制作设备时,还要充分考虑紫外灯之间的间距。合理的间距,能确保紫外灯的科学布置,既能保证充分的光均匀和紫外光达到一定强度,又能避免出现盲区和死角,以保证光催化技术的处理效果。


同样,除了紫外灯的距是我们考虑的因素之外,紫外灯与催化剂之间的距离也是我们要重点考虑的,也是很多设计人员容易忽视的一个重要环节。紫外灯和催化剂间的距离,主要是由催化剂的类型、紫外灯的类型、设备的内部结构等因素所决定。


6. 催化剂如何选择?


都说光催化技术,那肯定得有“光”和“催化剂”共同作用才行,我们前面说了紫外灯的选择,那现在重点得分析催化剂的选择。能适用于光催化技术的催化剂有二氧化钛(TiO2);氧化锌(ZnO);氧化锡(SnO2);二氧化锆(ZrO2);硫化镉(CdS)等多种氧化物硫化物半导体,其中二氧化钛因其氧化能力强,化学性质稳定无毒,成为世界上最当红的纳米光催化材料


光催化剂的发展:在早期,也曾经较多使用硫化镉(CdS)和氧化锌(ZnO)作为光触媒材料,但是由于这两者的化学性质不稳定,会在光催化的同时发生光溶解,溶出有害的金属离子具有一定的生物毒性,故发达国家目前已经很少将它们用作为民用光催化材料,部分工业光催化领域还在使用。


光催化剂二氧化钛:它是一种半导体,分别具有锐钛矿,金红石及板钛矿三种晶体结构,其中只有锐钛矿结构和金红石结构具有光催化特性。


7. 光催化设备的过流速度和反应停留时间?


在选用光催化技术时,我们一定要正确的去面对过流速度和停留两大要素。光催化技术是催化氧化的一个过程,首先是光照射在催化剂上,起了催化作用,产生了活性羟基(•OH)和其他活性氧化类物质(•O2-,•OOH ,H2O2)。在催化剂的表面生成的•OH基团反应活性很高,具有高于有机物中各类化学键能的反应能,加上•O2-,•OOH ,H2O2活性氧化类物质的协同作用,能迅速有效地分解有机物,同时紫外灯具有除臭、消毒、杀菌的功效。


通过光催化的工作机理,我们应该清晰的认识到,光催化治理废气也是一个复杂的过程,需要足够的停留反应时间。而目前市场上很多光催化技术设备,整体过流截面积严重偏小,导致过流速度较大,停留时间较短等现象。


在设计光催化设备时,要根据废气的成份和浓度,合理设计停留时。从投资和运行管理的角度考虑,通过光催化设备的过渡速度控制0.3-1m/s比较合适。当过渡速度大于1m/s时,系统的阻力会直线上升,同时会影响催化剂的结构;更重要是在确定停留时间的情况下,风速越大,设备的长度或高度也要求越大;不管在什么风速条件,光催化装置的反应停留时间控制在10-30秒比较好合适。当然,我所指的10-30秒为中低浓度易分解的部分废气,而不是绝对和统一标准的时间。


8. 防爆性能和适用场合?


光催化技术的防爆性能比吸收法、生物法要差一些,但比低温等离子法和焚烧法的要求少一些。市场上也有些光催化设备说是防爆的,但是受到防爆机构、专家和专业从事者的质疑。我个人认为,光催化设备的防爆还面临着很多技术问题,例如设备的密封性、紫外光的透过率、防爆等级、处理效率等问题需要解决。做为废气治理从事者,切不可为了一个订单、一份合同或是一个业绩,诱导需要单位做了错误的评估和选择。否则,一切出现了问题,不仅仅是企业声誉和技术遭质疑的问题,还会给安全生产带来不可预估的隐患


我们公司主张,光催化技术在缺少其它辅助处理设备时,不建议直接用在易燃易爆行业的废气治理项目,尤其是高浓度易挥发的石油化工生产领域。


9. 适用的废气浓度?


建议用于浓度在500ppm的VOCS治理项目。


我们紫科环保公司还是要再三呼吁大家,废气治理不是只简单上一套光催化设备就能达到环保排放标准。VOCs治理是一个系统工程,需要的是一综合解决方案,而不是一套光催化设备。


我个人认为,任何一种VOCs治理方式不能够做到十全十美,均为遐瑜互见,VOCs治理没有“万金油”设备,光催化技术不是万能的技术,还是要与其他技术进行组合,才能更高效的用于废气处理。


紫科环保公司经过多年分析、研究、摸索、试验及工程经验总结:VOCs治理问题要得到有效解决,一定要了解待处理气体的风量、成份、浓度等问题,针对废气成份,做到技术结合、工艺结合、强强联合、合力解决的方式,以有效的解决VOCs治理问题。


希望下次开放讨论日,我们讨论的是光催化技术的未来与前景,而不是光催化技术为什么被质疑和被贬低,甚至被否定的草率决定。


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