光解光催化廢氣處理用紫外線燈應用技（jì）術探討
光解光催化廢氣處理用紫外線燈應用技術探討（tǎo）
------佑威光電劉忠強（qiáng）（轉載（zǎi）請注明出處）
一、應用原理
先說一下關於紫外線（xiàn）
紫（zǐ）外線是電磁波譜中波長從（cóng）100nm(納米)到400nm輻射的總（zǒng）稱，其中波長100nm到 200nm的為真空紫外線(UV-D)，波長200nm到280nm為短波紫外線(UV-C)，波長280nm到315nm的為中波紫外線（xiàn）(UV-B)，波長315nm到400nm的為長波紫外線(UV-A)。紫外線的（de）波長與能量成（chéng）反比。波長越長，穿透皮膚或空氣能力越強。波長越短，能量越強，越容易導致皮膚病變。UV-D無法在空氣中有效傳播，而波長較短的UV-C則幾乎被臭氧層吸收（shōu），故自然界太陽光（guāng）中的紫外（wài）線，主要以（yǐ）UV-A和UV-B為主，其中UV-A約占98.1%，UV-B占1.1%。多說幾（jǐ）句（jù），UV-A可穿透皮膚（fū）表皮到達真皮，並（bìng）對皮膚的表皮黑色素發生作用，從而引起皮膚黑色素沉著（zhe），使皮膚變黑。而UV-B幾乎無法穿透皮（pí）膚表皮，少量（liàng）照射皮膚會促進血（xuè）液循環，生成（chéng）維生素（sù）D3，有保健作用，發射（shè）UV-B波段的紫外線燈也俗稱保健燈，但當能量較高的UV-B長時間作用於皮膚時，可發生（shēng）光照性皮（pí）炎，皮膚上出現紅斑、癢、水皰、水腫等，而紫外線過量照射，還可引起皮膚癌。每天適量曬（shài）曬太陽，能補充鈣質，對人體是有益處（chù）的，一般一天曬15分鍾就足夠了（le），如果被紫外線過多輻射的話，就會損害人體（tǐ）的皮膚。除了曬黑曬傷皮膚，紫外線還會加速皮膚老化。短波紫外線燈利用汞原（yuán）子特性（xìng）在氣體放電時把（bǎ）汞蒸氣（qì）激（jī）發放射出（chū）254nm的UV-C和185nm的UV-D波長的紫外線，UV-A和和UV-B是254nm的UV-C照射對應的（de）熒（yíng）光粉發出的紫外線，順（shùn）便提一下，短（duǎn）波UV-C目前被廣泛用（yòng）於殺（shā）菌（jun1）消毒（dú）功能（néng）產品，它放射的紫外線能量較大，如果沒（méi）有防護措施，極易對（duì）人體造成巨大傷害。如果裸露的肌（jī）膚被這（zhè）類紫（zǐ）外線燈照射，輕者會出現紅腫、疼癢（yǎng）、脫屑；重者甚至會引發癌變（biàn）、皮膚腫瘤等。同時，它也是眼睛的“隱形殺手”，會引起結膜、角膜（mó）發炎，長期照射可能會導致白內障。
再來說一下（xià）廢氣部分
VOC（揮（huī）發性有機物）主要包括苯、甲苯、二甲苯、苯乙（yǐ）烯、三氯乙烯、三氯甲烷、三氯乙烷、二異氰酸酯（TDI）、二異氰甲苯酯等和揮發性惡臭氣體（tǐ）如不飽和烴（如丁二烯、苯乙烯）、氮化物（如氨、甲基胺、糞臭素）、硫化物（如硫化氫、硫化（huà）甲基）、氯（lǜ）烴（如氯仿）、含氧烴（如丙酮）、植物精油（如樟腦油）等化合物。
惡臭汙染物質大多是氣相汙染物，主要由碳、氫、氧、氮、硫、鹵素等元素構成。就化學結構而言，臭味物質分子多因（yīn）具（jù）剩餘電子，而有刺激（jī）人類嗅覺的特性。
廢氣處理技術目前分（fèn）為物理、化學、生物等三大類，一般可（kě）用單一技術或兩種以上技術組合來完成單一臭氣處理工作。常（cháng）用的物理法是活性碳吸附或酸堿水洗噴淋，化學法是化學洗（xǐ）滌、焚（fén）化，生物法則包括（kuò）生（shēng）物洗滌、植物液噴（pēn）灑（sǎ）、生物滴（dī）濾、生物濾（lǜ）床等，而在物理法除臭技術上，又研發出（chū）了等離子體法除臭。
而采用254nm波長+185 nm波長雙波段紫（zǐ）外線燈來處理廢氣在近兩年由國外傳至國內，目前在國內也得（dé）到（dào）廣（guǎng）泛應用。本質一是應用了紫外（wài）線燈UVD185納米波段（duàn）和O2結合產生的O3臭氧來氧化（huà）還原（yuán）反應廢氣，二是利用185納米短波紫外線的高能量來裂解有機（jī）廢氣，三是利（lì）用254納米紫外線照射塗有TIO2的媒介（jiè）產生-OH來氧化（huà）有機廢氣。
二、光解光催化廢氣處理的技術特點：
1.除（chú）惡臭：
雙波段（duàn）紫外線結（jié）合TiO2光解催化（huà）氧化設備能去除揮發性有機物（VOC）、無機物、硫化氫、氨氣、硫醇類等主要汙染物，以及各（gè）種惡臭味，脫臭效果大大超（chāo）過國家1993年頒布（bù）的（GB14554-93）惡臭汙染物排放標（biāo）準。美國環（huán）保署公布的九大類114種汙染物（wù）均被證實可通過光解光催化氧化得到（dào）治理（lǐ）,即使對原子有（yǒu）機物如（rú）鹵代烴、燃料、含氮有機物、有機磷殺蟲（chóng）劑（jì）也有很好的去除效果。
2.適用範（fàn）圍廣：
可適應高、低濃度，大氣量，不同惡臭氣體物（wù）質的脫臭淨化處理，可每天24小時連續工作，運行穩定可靠。
3.運（yùn）行成本低：
設備無機械（xiè）動作，無噪音，無需專人管理和日常維護，隻需作定期檢查，設備能耗低，設備風阻極低＜50pa，可節約大量排風動力能耗。其中TiO2 催化劑的壽命是無（wú）限延長的，無需更換。
4.科（kē）技（jì）含量高：
采用氧化（huà）技術，突破單一（yī）體係的反應局限，在整個反應體係中，兩種氧化能力極強的氧化劑—O3和·OH參與反應及185nm高能量紫外線直接裂解廢氣，使得脫臭效（xiào）果（guǒ）更（gèng）佳，惡臭氣體礦化程度更高，可無害化排放，無二次汙染。
5.設備（bèi）占地（dì）麵積小，自重輕：
適合於布置緊湊、場地狹（xiá）小等特殊條件；進口材（cái）料製造，防水、防火、防腐蝕，使用壽命長。
6.產品性能穩定：
目前紫外線燈及專用高功率鎮流器技（jì）術成熟。為了日後方便維護檢修，每個鎮流器設置電源和工（gōng）作指示燈，可（kě）根據指（zhǐ）示燈排查燈管或整流器故障。根據反饋的不良現象（xiàng）隻需更換燈管或鎮（zhèn）流器即可。
三、光解（jiě）光（guāng）催化三種技術的（de）應（yīng）用原理
1.利用臭氧（yǎng）的強氧化性
雙波段紫外線的光譜圖如下：
其中185nm波長紫外線，也叫真空（kōng）紫外線，原理如下：
其中的O3就是常說的臭氧，它有極強的氧化性，目前廢氣處理用的光解紫外線燈主要是利於185nm紫外線持續和O2結合產生的臭氧來分解有（yǒu）機廢氣。
例如H2S的處理，硫化氫是強還（hái）原劑，O3是強氧化（huà）劑，它們的反應是：
以下實驗內容引進《環境化學》第28期第（dì）5卷
但為什麽經常很多客戶反饋剛開始效果後越往後效果越差呢（ne）？
其實這個根（gēn）本原（yuán）因（yīn）主要（yào）是來源於185nm紫外線的透過率和玻璃晶格變化（huà）和（hé）雜質影響導至的衰減（jiǎn）有直接關係！
先來看一個圖：
這個是常規254nm波長紫外線的衰減曲線圖，254nm紫外線和185nm紫外（wài）線是在汞原子被（bèi）激發後同時放射的，常規無臭氧隻有254NM波長的紫外線燈（dēng）是在石（shí）英玻璃裏麵加了TI（鈦），把185nm紫外線過濾掉了。而雙波段有臭氧紫外線燈則直接使用常說的沒加TI的透明石英管。
254nm和185nm紫外線雖然在汞原子（zǐ）被激發後放射的比例（lì）不會改變，但（dàn）185紫外線從石英玻璃管壁透出的比例和（hé）衰減程度受選用的石英玻璃材質區別和針（zhēn）對石（shí）英玻璃的處（chù）理方式（shì）影響就差別非常大（dà）了。因為波長越短的185nm紫外線對選用的石英材質要求越高。
麵前市（shì）麵上通常（cháng）說的光解紫外線燈即臭氧燈，選用的石英（yīng）玻璃一般是羥基含量小於15PPM，雜質含量小於50MMP，純度在99.9%的石英玻璃，這種材料用於一般的製作（zuò）紫外線殺菌用途的紫外（wài）線燈是可（kě）以的，因為254nm波長的紫外線透過相對來說要求沒那麽高，但185nm真空紫外線的透過對材料要求就比較高，真正的高臭氧紫外線（xiàn）燈羥基含量小（xiǎo）於5PPM(實際上接近於0)，雜質（zhì）含量小於20MMP，純度在99.999%的石英玻璃，這種材質的石英玻璃製（zhì）作的紫外線燈比常規市麵紫外線燈臭氧產出率高30%左右（yòu）。這個還不是關鍵，主要是這種真正的高臭氧專用石英玻璃（lí）它在10000小時壽命期內185nm紫（zǐ）外線的衰減隻有20%，而常規有臭氧紫（zǐ）外線燈在點燈三四千小時185nm紫外線（xiàn）輸出衰減受玻璃材質影響就近!這才是越往後效果越不好的主要原因。
當然，高純度（dù）高臭氧紫外線燈用石英玻璃比普通石英玻璃貴了一倍，並（bìng）且要定製，由於（yú）市場混亂用戶不太（tài）清楚這個也是大（dà）部分廠家用不好的主要原因。
2.利用185nm波長的高能量紫外線來打斷分子鍵
部分化學分子鍵的結合能
|
結合 |
結合能(KJ/mol) |
結合 |
結合能(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-0 |
326 |
|
S-S |
268 |
C=0（CO2） |
728（803） |
|
0=0 |
498 |
0-H |
464 |
185nm波長紫（zǐ）外線的光子能量高（gāo）達647 KJ/mol，大多數化學物質的分子結（jié）合能比185nm波長的的（de）能量低，因此汙染物質分子鍵經過185高能紫外線光能的裂解能被打斷，而大多（duō）數有機廢氣是C,H,O結構的，且化學鍵小於185NM紫外線能量，所以能把這些有機廢氣在有O2的情（qíng）況下分（fèn）解成CO2和H02。
但是值得注意的是，185nm波長紫外線是真空紫外線，一從燈管裏出來就和O2結合產（chǎn）生了O3，所以（yǐ）他的“射程”極短，基本（běn）是在燈管表麵或附近有少量強度，所以能通過185NM波（bō）長紫外線打斷（duàn）分鍵來（lái）處理（lǐ）的有機廢氣（qì）基（jī）本（běn）是能和燈（dēng）管表麵接觸或燈管近（jìn）距離（lí）的一部分。
例：苯（běn）分子光解機理：
苯的分子結（jié）構和分子鍵結合（hé）能：
苯是由氫原子(1s1) 和碳原子(1s22s22px12py1)構成的
苯（benzene， C6H6)有機化合物，是組成（chéng）結構簡單（dān）的芳香烴，在常溫下為一種無色、有甜味的透明液體，並具有強烈的芳香氣味（wèi）。苯可燃，有毒，為IARC一類致癌物。苯難溶於水，易溶於有（yǒu）機溶劑，本（běn）身也可作為有機溶劑。苯具（jù）有的（de）環係叫（jiào）苯環，是簡單的芳（fāng）環。苯分子去掉一個氫以後的結（jié）構叫苯基，用Ph表示。因此苯也可表示為PhH。
苯與苯基
CAS號 71-43-2 沸（fèi）點 353.25 K(80.1 ℃)
RTECS號 CY1400000
C=C、C-C、C-H鍵鍵能（néng）分別為611kJ/mol、332kJ/mol、414kJ/mol
SMILESC1=CC=CC=C1 在水中的溶解度 0.18 g/100 ml 水
化學（xué）式 C6H6 結構平麵六邊形
密度 0.8786g/mL 閃點 -10.11℃（閉（bì）杯）
熔點 278.65 K(5.5 ℃) 自燃溫（wēn）度 562.22℃
摩爾質量 78.11 gmol-1
標準摩爾熵So 298173.26 J/mol·K
標準摩爾熱容 Cpo135.69 J/mol·K (298.15 K)
根據苯（běn）物質結構特性，我們不難理解，當UV光子能量（liàng）大於611kJ/mol時（取鍵能值），苯環將被斷開，形成離子狀態的C- C+ C-C+ C- C+及H- H+ H- H+ H- H+ ，在分子鍵被打斷後分別與臭氧發生氧化反應。苯分子（zǐ）（C6H6）終裂解氧化生成為CO2及H2O。
附：常見的廢氣汙染物化學性質及其物質光解氧化轉換表
|
序號 |
名 稱 |
分 子 式 |
分 子 量 |
氣味特征 |
主要化學（xué）鍵 |
對應化（huà）學鍵鍵能KJ/mol |
光化（huà）學反應終產物 |
|
1 |
氨 |
NH3 |
17 |
強刺激氣味，無色氣體（tǐ）。 |
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（sè）氣體，有魚腥惡臭（chòu） |
C-H、C-N |
414、305 |
H2O 、N2、CO2 |
|
4 |
苯酚（fēn） |
C6H5OH |
94 |
常溫（wēn）下為一種無色或白（bái）色晶體有特殊芳香（xiāng）氣味 |
C=C、C-H C-O |
611、414、326 |
H2O、CO2 |
|
5 |
苯 |
C6H6 |
78 |
常溫下為一種（zhǒng）無色、有甜味的透明（míng）液體，並具有強烈的芳（fāng）香氣（qì）味（wèi） |
C=C、C-H |
611、414 |
H2O 、CO2 |
|
6 |
甲苯 |
C7H8 |
92 |
常溫下為清（qīng）澈的（de）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（jiǎ）苯（běn） |
C6H4(CH3)2 |
106 |
常溫下為無色液體，具（jù）有類似苯（běn）的芳香氣味。 |
C=C、C-H、 C-C |
611、414、332 |
H2O、CO2 |
|
8 |
苯乙（yǐ）烯（xī） |
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 |
C3H8O2 |
88 |
無（wú）色透明有芳香氣味的（de）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（wú）色易流動液體，有刺激性氣味 |
C=C、C-O、 C-H |
611、326、414 |
H2O、CO2 |
|
14 |
甲（jiǎ）醇 |
CH3OH |
32 |
無色（sè）有酒精（jīng）氣味易揮發的液體，有毒 |
C-H、C-O、 H-O |
414、326、464 |
H2O、CO2 |
|
15 |
丙 |
C3H4O |
56 |
無色或淡黃色液體（tǐ），有惡臭 |
C=C、C-O、 C-H |
611、326、414 |
H2O、CO2 |
|
16 |
苯胺 |
C6H5NH2 |
93 |
無色（sè）油（yóu）狀液（yè）體，有特殊氣（qì）味 |
C=C、C-H、N-H、C-C |
611、414、 389、332 |
H2O、CO2、N2 |
其中所說的光化學反應，一是打斷分（fèn）子鍵裂解分子結（jié）構（gòu），二是同時氧化還原反應，兩種作用其實是同時進行（háng）的。
3.利用（yòng）254nm波長的紫外線的（de）光催化作用來分解有機廢（fèi）氣
光催化原理是日本人發明的，這個目前在家用空氣淨化機（jī）上（shàng）目前也被廣泛應用，
由於這（zhè）些特點，他的一次生分解效率較低，所以比較適用空氣不斷循（xún）環的室內環境，可以往返不斷分解不斷稀釋起到空（kōng）氣（qì）淨化的作用，在工（gōng）業廢氣處理中往往氣體是一次（cì）性通（tōng）過，就算多加幾層光催化網幾次紫外線燈，能起輔助作（zuò）用，不能完全靠（kào）它來有效有分有機廢氣。
同時，光催化對塗有TIO2（二氧化鈦）的原料納（nà）米等級也（yě）是有特別要求，對於他的附著處理是（shì）配金屬網燒結形式固定，不是隨便（biàn）噴塗上去就可以，要不然會很快失效（針對光催化的應用佑（yòu）威光電另用專門文章講解）。
四、光（guāng）解光催化技術（shù）在廢氣（qì）處理中的應用方式
前期進氣要（yào）預處（chù）理到位，比如噴淋、過（guò）濾，等離子等，要保證進氣無固定（dìng）汙染物（否則燈管表麵附著物過（guò）多短波紫外線很難透過），然後讓主要有機無機廢氣成份經過雙波段紫外線（xiàn）燈（dēng）的光解反應區，然後讓氣體再經過254納米波長單波（bō）段光催化輔助反應區，在這個反應區一是光催化分解，另（lìng）外更重要的一點是254nm波長紫外線（xiàn）會大量分解掉反（fǎn）應完過量的O3臭氧（困為（wéi）排放到大氣（qì）中的（de）O3也是一種汙染（rǎn）原），使O3還原成氧氣（qì），O3還原成氧氣的過程（chéng）會有大量活氣O原子，在光催化的作用上會進一步配合（hé）分解反應。同時，如（rú）果在末端再加上一至兩層（céng）臭氧催化網分解掉殘餘的少量臭氧，這樣排放出來的空氣則潔淨如新。
補充：本文隻從（cóng）紫外線燈的原理方麵詳細分（fèn）析了光解光催化紫外線燈在廢氣處理中的應用，至於不同的氣體（tǐ）成份不同的濃度時需多少紫外線燈這個課題很多應（yīng）用廠家已建（jiàn）立（lì）實驗室在研究，隨後我司的工程樣機到位後我們也會做進一步實驗用事實說話來和大（dà）家分（fèn）享。
希望（wàng）大家多（duō）做研究，用科學依據和（hé）實（shí）驗結果來驗證產（chǎn）品，做出（chū）更多（duō）有真正的好產品為（wéi）國家的環（huán）保事業做出貢獻！
