光解光催化廢氣處理用紫外線燈應用技術探討

                 ------佑威光電劉忠強（轉載請注明出處）

一、應用原理

   先說一下關于紫外線

紫外線是電磁波譜中波長從100nm(納米)到400nm輻射的總稱，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(UV-B)，波長315nm到400nm的為長波紫外線(UV-A)。紫外線的波長與能量成反比。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，故自然界太陽光中的紫外線，主要以UV-A和UV-B為主，其中UV-A約占98.1%，UV-B占1.1%。多說幾句，UV-A可穿透皮膚表皮到達真皮，并對皮膚的表皮黑色素發生作用，從而引起皮膚黑色素沉著，使皮膚變黑。而UV-B幾乎無法穿透皮膚表皮，少量照射皮膚會促進血液循環，生成維生素D3，有保健作用，發射UV-B波段的紫外線燈也俗稱保健燈，但當能量較高的UV-B長時間作用于皮膚時，可發生光照性皮炎，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。每天適量曬曬太陽，能補充鈣質，對人體是有益處的，一般一天曬15分鐘就足夠了，如果被紫外線過多輻射的話，就會損害人體的皮膚。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子特性在氣體放電時把汞蒸氣激發放射出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照射對應的熒光粉發出的紫外線，順便提一下，短波UV-C目前被廣泛用于殺菌消毒功能產品，它放射的紫外線能量較大，如果沒有防護措施，極易對人體造成巨大傷害。如果裸露的肌膚被這類紫外線燈照射，輕者會出現紅腫、疼癢、脫屑；重者甚至會引發癌變、皮膚腫瘤等。同時，它也是眼睛的“隱形殺手”，會引起結膜、角膜發炎，長期照射可能會導致白內障。

再來說一下廢氣部分

VOC（揮發性有機物）主要包括苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、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、硫化甲基）、氯烴（如氯仿）、含氧烴（如丙酮）、植物精油（如樟腦油）等化合物。

惡臭污染物質大多是氣相污染物，主要由碳、氫、氧、氮、硫、鹵素等元素構成。就化學結構而言，臭味物質分子多因具剩余電子，而有刺激人類嗅覺的特性。

廢氣處理技術目前分為物理、化學、生物等三大類，一般可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，化學法是化學洗滌、焚化，生物法則包括生物洗滌、植物液噴灑、生物滴濾、生物濾床等，而在物理法除臭技術上，又研發出了等離子體法除臭。

而采用254nm波長+185 nm波長雙波段紫外線燈來處理廢氣在近兩年由國外傳至國內，目前在國內也得到廣泛應用。本質一是應用了紫外線燈UVD185納米波段和O2結合產生的O3臭氧來氧化還原反應廢氣，二是利用185納米短波紫外線的高能量來裂解有機廢氣，三是利用254納米紫外線照射涂有TIO2的媒介產生-OH來氧化有機廢氣。

二、光解光催化廢氣處理的技術特點：

  1.除惡臭：

      雙波段紫外線結合TiO2光解催化氧化設備能去除揮發性有機物（VOC）、無機物、硫化氫、氨氣、硫醇類等主要污染物，以及各種惡臭味，脫臭效果大大超過國家1993年頒布的（GB14554-93）惡臭污染物排放標準。美國環保署公布的九大類114種污染物均被證實可通過光解光催化氧化得到治理,即使對原子有機物如鹵代烴、燃料、含氮有機物、有機磷殺蟲劑也有很好的去除效果。
   2.適用范圍廣：
       可適應高、低濃度，大氣量，不同惡臭氣體物質的脫臭凈化處理，可每天24小時連續工作，運行穩定可靠。
     3.運行成本低：
       設備無機械動作，無噪音，無需專人管理和日常維護，只需作定期檢查，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 催化劑的壽命是無限延長的，無需更換。
    4.科技含量高：
       采用氧化技術，突破單一體系的反應局限，在整個反應體系中，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，使得脫臭效果更佳，惡臭氣體礦化程度更高，可無害化排放，無二次污染。
     5.設備占地面積小，自重輕：
      適合于布置緊湊、場地狹小等特殊條件；進口材料制造，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術成熟。為了日后方便維護檢修，每個鎮流器設置電源和工作指示燈，可根據指示燈排查燈管或整流器故障。根據反饋的不良現象只需更換燈管或鎮流器即可。

三、光解光催化三種技術的應用原理

   1.利用臭氧的強氧化性
     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于185nm紫外線持續和O2結合產生的臭氧來分解有機廢氣。

例如H2S的處理，硫化氫是強還原劑，O3是強氧化劑，它們的反應是：

以下實驗內容引進《環境化學》第28期第5卷

但為什么經常很多客戶反饋剛開始效果后越往后效果越差呢？

其實這個根本原因主要是來源于185nm紫外線的透過率和玻璃晶格變化和雜質影響導至的衰減有直接關系！

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紫外線是在汞原子被激發后同時放射的，常規無臭氧只有254NM波長的紫外線燈是在石英玻璃里面加了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被激發后放射的比例不會改變，但185紫外線從石英玻璃管壁透出的比例和衰減程度受選用的石英玻璃材質區別和針對石英玻璃的處理方式影響就差別非常大了。因為波長越短的185nm紫外線對選用的石英材質要求越高。

面前市面上通常說的光解紫外線燈即臭氧燈，選用的石英玻璃一般是羥基含量小于15PPM，雜質含量小于50MMP，純度在99.9%的石英玻璃，這種材料用于一般的制作紫外線殺菌用途的紫外線燈是可以的，因為254nm波長的紫外線透過相對來說要求沒那么高，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燈羥基含量小于5PPM(實際上接近于0)，雜質含量小于20MMP，純度在99.999%的石英玻璃，這種材質的石英玻璃制作的紫外線燈比常規市面紫外線燈臭氧產出率高30%左右。這個還不是關鍵，主要是這種真正的高臭氧專用石英玻璃它在10000小時壽命期內185nm紫外線的衰減只有20%，而常規有臭氧紫外線燈在點燈三四千小時185nm紫外線輸出衰減受玻璃材質影響就近!這才是越往后效果越不好的主要原因。

當然，高純度高臭氧紫外線燈用石英玻璃比普通石英玻璃貴了一倍，并且要定制，由于市場混亂用戶不太清楚這個也是大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

185nm波長紫外線的光子能量高達647 KJ/mol，大多數化學物質的分子結合能比185nm波長的的能量低，因此污染物質分子鍵經過185高能紫外線光能的裂解能被打斷，而大多數有機廢氣是C,H,O結構的，且化學鍵小于185NM紫外線能量，所以能把這些有機廢氣在有O2的情況下分解成CO2和H02。

但是值得注意的是，185nm波長紫外線是真空紫外線，一從燈管里出來就和O2結合產生了O3，所以他的“射程”極短，基本是在燈管表面或附近有少量強度，所以能通過185NM波長紫外線打斷分鍵來處理的有機廢氣基本是能和燈管表面接觸或燈管近距離的一部分。

例：苯分子光解機理：

苯的分子結構和分子鍵結合能：

苯是由氫原子(1s1) 和碳原子(1s22s22px12py1)構成的

苯（benzene， C₆H₆)有機化合物，是組成結構簡單的芳香烴，在常溫下為一種無色、有甜味的透明液體，并具有強烈的芳香氣味。苯可燃，有毒，為IARC一類致癌物。苯難溶于水，易溶于有機溶劑，本身也可作為有機溶劑。苯具有的環系叫苯環，是簡單的芳環。苯分子去掉一個氫以后的結構叫苯基，用Ph表示。因此苯也可表示為PhH。

苯與苯基

CAS號 71-43-2               沸點 353.25 K(80.1 ℃)

RTECS號 CY1400000

 C=C、C-C、C-H鍵鍵能分別為611kJ/mol、332kJ/mol、414kJ/mol

SMILESC1=CC=CC=C1            在水中的溶解度 0.18 g/100 ml 水

化學式 C₆H₆                    結構平面六邊形

密度 0.8786g/mL              閃點 -10.11℃（閉杯）

熔點 278.65 K(5.5 ℃)     自燃溫度 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)

根據苯物質結構特性，我們不難理解，當UV光子能量大于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+ ，在分子鍵被打斷后分別與臭氧發生氧化反應。苯分子（C₆H₆）終裂解氧化生成為CO₂及H₂O。

附：常見的廢氣污染物化學性質及其物質光解氧化轉換表

其中所說的光化學反應，一是打斷分子鍵裂解分子結構，二是同時氧化還原反應，兩種作用其實是同時進行的。

3.利用254nm波長的紫外線的光催化作用來分解有機廢氣

  光催化原理是日本人發明的，這個目前在家用空氣凈化機上目前也被廣泛應用，

由于這些特點，他的一次生分解效率較低，所以比較適用空氣不斷循環的室內環境，可以往返不斷分解不斷稀釋起到空氣凈化的作用，在工業廢氣處理中往往氣體是一次性通過，就算多加幾層光催化網幾次紫外線燈，能起輔助作用，不能完全靠它來有效有分有機廢氣。

同時，光催化對涂有TIO2（二氧化鈦）的原料納米等級也是有特別要求，對于他的附著處理是配金屬網燒結形式固定，不是隨便噴涂上去就可以，要不然會很快失效（針對光催化的應用佑威光電另用專門文章講解）。

四、光解光催化技術在廢氣處理中的應用方式

前期進氣要預處理到位，比如噴淋、過濾，等離子等，要保證進氣無固定污染物（否則燈管表面附著物過多短波紫外線很難透過），然后讓主要有機無機廢氣成份經過雙波段紫外線燈的光解反應區，然后讓氣體再經過254納米波長單波段光催化輔助反應區，在這個反應區一是光催化分解，另外更重要的一點是254nm波長紫外線會大量分解掉反應完過量的O3臭氧（困為排放到大氣中的O3也是一種污染原），使O3還原成氧氣，O3還原成氧氣的過程會有大量活氣O原子，在光催化的作用上會進一步配合分解反應。同時，如果在末端再加上一至兩層臭氧催化網分解掉殘余的少量臭氧，這樣排放出來的空氣則潔凈如新。

補充：本文只從紫外線燈的原理方面詳細分析了光解光催化紫外線燈在廢氣處理中的應用，至于不同的氣體成份不同的濃度時需多少紫外線燈這個課題很多應用廠家已建立實驗室在研究，隨后我司的工程樣機到位后我們也會做進一步實驗用事實說話來和大家分享。

希望大家多做研究，用科學依據和實驗結果來驗證產品，做出更多有真正的好產品為國家的環保事業做出貢獻！