How powerful is the UV UV photolysis? How to control the VOCs pollution of organic waste gas?

How powerful is the UV UV photolysis? How to control the VOCs pollution of organic waste gas?

In the field of industry and life, it is a major issue how to effectively deal with organic waste gas and control air pollution. In recent years, UV photolysis technology has been widely used in the treatment of volatile organic waste gas (VOCs) and deodorization. However, the effect of UV photolysis technology on the treatment of VOCs is commended. What is the principle of UV photolysis? What is the effect in the end? Can the waste gas be treated effectively to improve the air quality?

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，工業(yè)廢氣排放越來越多，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UV光解技術(shù)在處理揮發(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)常見的白色太陽光，實(shí)際上是由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種單色光組成的。其中可見光處在波長380-780nm之間（有的說400-800nm）。紫外光是電磁波譜中波長從10~380nm輻射的總稱，肉眼是看不到的。

紫外光開始于可見光的短波極限，而與X射線的長波波長相重疊。紫外光可劃分為長波（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；另一條是185nm波長，這兩條都是肉眼看不見的紫外線。

由于紫外線無法通過普通玻璃，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紫外線透過基本無影響。利用這個(gè)原理，可以通過控制鈦元素的添加量，可有效的控制185nm紫外線的逸出（通過）量。由于185nm的紫外線能夠激發(fā)空氣中的氧氣生成臭氧（O3），因此通過改變石英玻璃的性能，控制臭氧產(chǎn)生量，以制作低臭氧(無臭氧)、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)的微波無極紫外燈、鐵燈、雙管微波無極紫、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)的微波無極紫外光泵和微波無極紫外設(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)算公式簡化為E=1240/λ（λ為光波長，nm），光子能量可以按照這個(gè)簡單公式來計(jì)算，光子波長越短其能量越高。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)的紫外光波長為240nm，理論上波長小于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)，如果紫外光波長在240nm以上，那么無法激發(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，可見光是無效的。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氧化成無毒無害的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，讓人的感覺是紫外光來解離有機(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，沒有配備光催化劑，假設(shè)只通過臭氧來氧化VOCs。以甲苯為例，假設(shè)甲苯濃度為10ppm（41mg/m3），風(fēng)量為10000m3/h。通常來說臭氧中只有一個(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，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)的微波無極紫外光泵，微波無極紫外燈和微波無極紫外設(shè)備都很好的解決了這個(gè)問題，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？