1. 引言

目前，随着科学技术水平的发展和人民生活水平的提高，在全球范围内都不同程度地出现了环境污染问题，特别是在发展中国家。据世界卫生组织调查称，人类的癌症、消化系统疾病、神经系统疾病、呼吸系统疾病等都与环境因素密切相关。因此，环境污染问题已经成为世界各个国家的共同课题之一。

人需要呼吸空气来维持生命。一个成年人每天的呼吸大约2万多次，吸入空气达15～20立方米。因此，被污染了的空气对人体的健康有直接的影响。现阶段我国生态环境严重恶化首先表现在大气环境方面，尤其是工业生产、交通运输和日常生活中排放出了大量的有机废气，这些物质使大气环境质量日渐恶化，并且已经造成了严重的经济、社会后果。鉴于人们对有机废气危害的逐渐认识，自20世纪70年代以来，中国政府加强了对环保工作的力度，颁布并采取了一些防治有机废气的政策和措施，以减少有机废气的排放，并收到了一定的效果。但从总体来看，大气环境污染和破坏还没有完全被控制。目前，我国年排放VOCs约1800万吨，《重点区域大气污染防治“十二五”规划》更是提出，“十二五”期间将针对石化、有机化工、合成材料、化学药品原药制造、塑料产品制造、装备制造涂装等重点行业，完善VOCs的污染防治体系，以期达到改善空气质量和污染减排的目的。由此可见，中国的环境保护仍任重而道远。

2. VOCs的来源及危害

VOCs是挥发性有机化合物（volatile organic compounds）的英文缩写。世界卫生组织（WHO）对其的定义为，熔点低于室温、沸点在小于260 ℃，常温下饱和蒸气压大于70.91 Pa、并以气态形式存在于空气中的一类化合物的总称。我国沈学优等（2001年）对VOCs定义为，沸点在50～260℃之间、常温下饱和蒸气压大于133.322 Pa的易挥发性化合物。常见的VOCs种类及成分见表1-1。

种类	成分
脂肪烃	甲烷、乙烷、丙烷、环己烷、甲基环戊烷、己烷、2-甲基戊烷、2-甲基己烷；
芳香烃	苯、甲苯、乙苯、二甲苯、正丙基苯、苯乙烯、1,2,4-三甲基苯；
卤代类化合物	三氯氟甲烷、二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、1,1,1-三氯乙烷、三氯乙烯、四氯乙烷、氯苯、1,4-二氯苯；
酚、醚、环氧类化合物	甲酚、苯酚、乙醚、环氧乙烷、环氧丙烷
酮、醛、醇、多元醇	丙酮、丁酮、环己酮、甲醛、乙醛、甲醇、异丁醇
腈、胺类化合物	丙烯腈、二甲基甲酰胺
酸、酯类化合物	乙酸、醋酸乙酯、醋酸丁酯
多环芳烃	萘、菲、苯并芘
其它	甲基溴、氯氟烃、氯氟碳化物

其它	甲基溴、氯氟烃、氯氟碳化物

2.1 VOCs的来源

VOCs的排放源及其污染物排放量的研究是控制大气中VOCs的根本，而VOCs气体的来源很广泛。典型的VOCs排放源可分为人为排放源（包括固定源与移动源）和自然排放源（包括生物源与非生物源）两类，其中以人为排放源为主，多半为石油化工相关产业的生产过程、产品消费行为以及机动车尾气造成。通过分析总结，VOCs主要来源于以下几个方面：

（1）石油化工厂排出的工艺尾气，如石油炼制工艺，石油化工氧化工艺，石油化工储罐生产工艺；

（2）石油、煤炭、天然气等的开采和储运过程中可有大量VOCs气体产生；

（3）煤、石油、石油制品、天然气、木材、烟草燃烧时的不完全燃烧产物，废弃物焚烧时产生的烟气，机动车排放的尾气中含有的未完全燃烧的烃类物质；

（4）室内装饰、装修材料如油漆、喷漆及其溶剂、木材防腐剂、涂料、胶合板等常温下可释放出苯、甲苯、甲醛、酚类、二甲苯、甲醛等多种挥发性有机物质；

（5）日常生活中使用的化妆品，有机农药、除臭剂、消毒剂、防腐剂、各种洗涤剂的加工和使用过程中可产生酚类、醚类、多环芳烃等挥发性有机物质；

（6）各种合成材料、有机粘合剂及其他有机制品遇到高温时氧化和裂解，可产生部分低分子有机污染物；

（7）淀粉、脂肪、蛋白质、纤维素、糖类等氧化与分解时产生部分有机污

染物。

另外，根据调研结果，我国工业VOCs排放源的行业分布情况见图1-1。

     2.2 VOCs的危害

VOCs种类众多，其对人类的健康和生存环境的危害主要体现以下几个方面：

（1）大多数VOCs具有刺激性气味或臭味，可引起人们感官上的不愉快，严重降低人们的生活质量。恶臭气体指一切刺激嗅觉器官并引起人们不愉快的气体物质。

（2）VOCs成分复杂，有特殊气味且具有渗透、挥发及脂溶等特性，可导致人体出现诸多的不适症状。还具有毒性、刺激性及致畸致癌作用，尤其是苯、甲苯、二甲苯及甲醛对人体健康的危害最大，长期接触会使人患上贫血症与白血病。另外，VOCs气体还可导致呼吸道、肾、肺、肝、神经系统、消化系统及造血系统的病变。随着VOCs浓度的增加，人体会出现恶心、头痛、抽搐、昏迷等症状。

（3）VOCs多半具有光化学反应性，在阳光照射下，VOCs会与大气中的NOx发生化学反应，形成二次污染物（如：臭氧等）或强化学活性的中间产物（如：自由基等），从而增加烟雾及臭氧的地表浓度，会对人造成生命危险，同时也会危害农作物的生长，甚至导致农作物的死亡。由光化学反应所造成的烟雾，除了能降低能见度之外，所产生的臭氧、过氧乙酰硝酸酯（PAN）、过氧苯酰硝酸酯（PBN）、醛类等物质可刺激人的眼睛和呼吸系统，危害人的身体健康，伦敦、东京等城市都相继出现过光化学烟雾污染事件。

（4）某些VOCs易燃，如苯、甲苯、丙酮、二甲基胺及硫代烃等，这些物质的排放浓度较高时如果遇到静电火花或其他火源，容易引起火灾。近年来由于VOCs造成的火灾及爆炸事故时有发生，尤其是常发生在石油化工企业。

（5）部分VOCs可破坏臭氧层，如氟氯烃物质。当其受到来自太阳的紫外辐射时，可发生光化学反应，产生氯原子，从而对臭氧层中的臭氧进行催化破坏。臭氧量的减少以及臭氧层的破坏使到达地面的紫外线辐射量增加。紫外线对人类皮肤、眼睛及免疫系统有较大的危害。

3 传统VOCs控制技术简介

传统的VOCs控制技术基本可分为两大类：回收技术和销毁技术，如图1-2所示。回收技术是根据VOCs本身的性质，通过物理方法，在一定的温度和压力下，使用吸收、吸附剂及选择性渗透膜等实现VOCs的分离，主要包括吸收法、吸附法、冷凝法及膜分离法。而销毁技术则是采用化学或生物方法，使VOCs气体分子转变为小分子的水和二氧化碳，主要包括燃烧法和生物法。

3.1 吸收法

吸收法净化VOCs的方法是利用液态吸收剂处理混合气体，混合气体中的一种或几种气体组分溶解于液体中，或与吸收液中的组分发生选择性化学反应，除去其中一种或几种气体的过程，从而达到控制大气污染的一种方法。此方法适合于大气量、中等浓度的含VOCs废气的处理。

其中，吸收剂不同可以吸收不同的有害气体，且需具备以下几个特点：（1）对被除去的VOCs有较大的溶解性；（2）蒸汽压低；（3）易解吸；（4）化学性质稳定且无毒无害；（5）分子量低。

吸收法使用的吸收设备叫吸收器、净化器或洗涤器。许多湿式除尘设备，都可以用于净化有害气体，当作吸收设备时，分别称为喷淋洗涤器、泡沫洗涤器、文氏管洗涤器等。吸收法的工艺流程和湿法除尘工艺近似，如图1-3，只是湿法除尘工艺用清水，而吸收法净化有害气体要用溶剂或溶液。

吸收法的优点是工艺流程简单，几乎可以处理各种有害气体，适用范围很广，并可回收有价值的产品。缺点是对设备要求较高，设备易受腐蚀，吸收效率有时不高，吸收剂需要定期更换。

3.2 吸附法

吸附法是利用多孔性固体吸附剂处理含VOCs的气态混合物，利用固体表面的不平衡的化学键力或分子引力，使其中的一种或多种组分浓缩于固体表面上，以达到分离的目的。吸附法已广泛应用于石油化工、环境工程等领域，成为一种重要的治理技术，主要用于治理中低浓度VOCs废气，处理工艺见图1-4。常用的吸附剂有活性炭、活性炭纤维、活性氧化铝、分子筛以及沸石等。

影响VOCs吸附诸多因素中，起决定性作用的是吸附剂。研究表明，活性炭吸附VOCs性能最佳，是最常见的吸附剂。在一般情况下，吸附剂要具有较大的比表面积、密集的孔结构，吸附性能好，化学性质稳定，耐高温高压、耐酸碱、对气体阻力小、不易破碎。

吸附法的优点是净化效率高，无二次污染，可回收有用成分，工艺成熟，设备简单，操作方便，且能实现自动控制；缺点是由于吸附容量受限，不适于处理高浓度有机气体，设备庞大，费用相对较高，当废气中有胶粒物质或其它杂质时，吸附剂易失效，同时吸附剂需要定期更换和再生。

3.3 燃烧法

通过燃烧方法将VOCs转化为二氧化碳、水以及氯化氢等无毒或毒性小的无机物的过程，称为燃烧净化法，其化学作用主要是燃烧氧化和高温下的热分解作用。此方法适用于治理可燃的或在高温情况下可以分解的有害气体，并广泛应用于化工、喷漆、绝缘材料等行业的生产装置中所排出的有机废气。

燃烧法可分为直接燃烧、热力燃烧和催化燃烧三种，其工艺流程和工艺性能

3.4 冷凝法

冷凝法是利用VOCs在不同的温度和压力下具有不同的饱和蒸汽压，通过降低温度和增加压力，使处于蒸气状态的污染物凝结出来，使其得以净化和回收。该法适用于处理较高浓度的有机蒸气。其中，VOCs的去除率与初始浓度和冷却温度有关。在一定温度下，初始浓度越大，其去除率越高。在理论上冷凝法对VOCs的出去率很高，但是当污染气体浓度较低时，需采取进一步的冷冻措施，这使运行成本大大提高。故冷凝法常作为其他方法净化VOCs的前处理，以降低有机负荷，回收有机物。其工艺流程见图1-6。

优点是设备工艺简单，能耗低，可回收有用成分；缺点是不适宜处理低浓度的有机气体，对入口VOCs要求严格，冷却温度较低时，耗电量较大。

3.5 生物法

生物法是在适宜的环境条件下，利用微生物的生命活动将VOCs气体中的有害物质转变成简单的无机物（CO₂、H₂O）及细胞物质等的过程。常见的生物法处理VOCS的方法有：生物洗涤法、生物过滤法和生物滴滤法，其工艺流程

生物法的优点是去除率高，投资少，设备简单，运行费用低，较少形成二次污染，应用范围广；缺点：微生物对环境要求较高，压损较大，抗冲击负荷能力较差，设备体积大，不适用于高卤素化合物的去除。

3.6 膜分离法

膜分离法是利用在压力差的推动下，气体透过膜的速率不同，从而将气体混合物分离的过程。该法适用于处理有机物浓度较高的废气，回收效率可以达到97%以上；且由于膜分离过程是一种纯物理过程，具有无相变化，节能、体积小、可拆分等特点，使膜广泛应用在制药、化工、水处理工艺过程及环保行业中。对不同组成的VOCs混合气体，根据其有机物的分子量，选择不同的膜，选择合适的膜工艺，从而达到最好的膜通量和截留率，进而可提高生产收率、减少投资规模和运行成本。

膜分离法的优点是选择性好，适应性强，能耗低，无相态变化，可回收有用成分；缺点是投资大，对膜的依赖性强；对膜的表面控制要求较高，膜分离装置操作要求高。

目前，国内外采用的有机废气处理方法包括吸收、吸附、冷凝、燃烧和生物技术等以上介绍的方法，但其都存在投资大、周期长、运行费用高等缺点，且处理效果也难以满足日益严格的排放要求。为此，需要寻找新的方法和途径来解决这一难题，而低温等离子体和光催化技术相结合则是近年来兴起的去除有机废气的有效治理技术。其中，低温等离子体技术具有其独特优点，譬如：处理效率高、反应流程短、适用大多数污染气体、适于处理低浓度大风量的气体等，但单独使用该技术存在能耗较高、产物降解不完全以及难于控制臭氧的排放量等缺点。光催化技术由于其能耗较低、操作简单、催化反应完全等优点被广泛应用，但单独使用也存在一些缺陷，如：紫外光源不稳定、较难处理高浓度大风量的气体、催化剂易中毒失活等。针对这两种技术各自的优缺点，人们开始考虑将两者结合，形成互补。本研究将铁电体材料和光催化材料共同应用于等离子体放电场中，采用低温等离子体-光催化联合技术降解有机废气VOCs，并取得了较好的效果。