光解光催化废气处理用紫外线灯应用技术探讨

光解光催化废气处理用紫外线灯应用技术探讨

一、应用原理

   先说一下关于紫外线

紫外线是电磁波谱中波长从100nm(纳米)到400nm辐射的总称，其中波长100nm到200nm的为真空紫外线(UV-D)，波长200nm到280nm为短波紫外线(UV-C)，波长280nm到315nm的为中波紫外线(UV-B)，波长315nm到400nm的为长波紫外线(UV-A)。紫外线的波长与能量成反比。波长越长，穿透皮肤或空气能力越强。波长越短，能量越强，越容易导致皮肤病变。UV-D无法在空气中有效传播，而波长较短的UV-C则几乎被臭氧层吸收，故自然界太阳光中的紫外线，主要以UV-A和UV-B为主，其中UV-A约占98.1%，UV-B占1.1%。多说几句，UV-A可穿透皮肤表皮到达真皮，并对皮肤的表皮黑色素发生作用，从而引起皮肤黑色素沉着，使皮肤变黑。而UV-B几乎无法穿透皮肤表皮，少量照射皮肤会促进血液循环，生成维生素D3，有保健作用，发射UV-B波段的紫外线灯也俗称保健灯，但当能量较高的UV-B长时间作用于皮肤时，可发生光照性皮炎，皮肤上出现红斑、痒、水疱、水肿等，而紫外线过量照射，还可引起皮肤癌。每天适量晒晒太阳，能补充钙质，对人体是有益处的，一般一天晒15分钟就足够了，如果被紫外线过多辐射的话，就会损害人体的皮肤。除了晒黑晒伤皮肤，紫外线还会加速皮肤老化。短波紫外线灯利用汞原子特性在气体放电时把汞蒸气激发放射出254nm的UV-C和185nm的UV-D波长的紫外线，UV-A和和UV-B是254nm的UV-C照射对应的荧光粉发出的紫外线，顺便提一下，短波UV-C目前被广泛用于杀菌消毒功能产品，它放射的紫外线能量较大，如果没有防护措施，极易对人体造成巨大伤害。如果裸露的肌肤被这类紫外线灯照射，轻者会出现红肿、疼痒、脱屑；重者甚至会引发癌变、皮肤肿瘤等。同时，它也是眼睛的“隐形杀手”，会引起结膜、角膜发炎，长期照射可能会导致白内障。

再来说一下废气部分

VOC（挥发性有机物）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、二异氰酸酯（TDI）、二异氰甲苯酯等和挥发性恶臭气体如不饱和烃（如丁二烯、苯乙烯）、氮化物（如氨、甲基胺、粪臭素）、硫化物（如硫化氢、硫化甲基）、氯烃（如氯仿）、含氧烃（如丙酮）、植物精油（如樟脑油）等化合物。

恶臭污染物质大多是气相污染物，主要由碳、氢、氧、氮、硫、卤素等元素构成。就化学结构而言，臭味物质分子多因具剩余电子，而有刺激人类嗅觉的特性。

废气处理技术目前分为物理、化学、生物等三大类，一般可用单一技术或两种以上技术组合来完成单一臭气处理工作。常用的物理法是活性碳吸附或酸碱水洗喷淋，化学法是化学洗涤、焚化，生物法则包括生物洗涤、植物液喷洒、生物滴滤、生物滤床等，而在物理法除臭技术上，又研发出了等离子体法除臭。

而采用254nm波长+185 nm波长双波段高效紫外线灯来处理废气在近两年由国外传至国内，目前在国内也得到广泛应用。本质一是应用了紫外线灯UVD185纳米波段和O2结合产生的O3臭氧来氧化还原反应废气，二是利用185纳米短波紫外线的高能量来裂解有机废气，三是利用254纳米紫外线照射涂有TIO2的媒介产生-OH来氧化有机废气。

二、光解光催化废气处理的技术特点：

  1.高效除恶臭：

      双波段紫外线结合TiO2光解催化氧化设备能高效去除挥发性有机物（VOC）、无机物、硫化氢、氨气、硫醇类等主要污染物，以及各种恶臭味，脱臭效果大大超过国家1993年颁布的（GB14554-93）恶臭污染物排放标准。美国环保署公布的九大类114种污染物均被证实可通过光解光催化氧化得到治理,即使对原子有机物如卤代烃、燃料、含氮有机物、有机磷杀虫剂也有很好的去除效果。
   2.适用范围广：
       可适应高、低浓度，大气量，不同恶臭气体物质的脱臭净化处理，可每天24小时连续工作，运行稳定可靠。
     3.运行成本低：
       设备无任何机械动作，无噪音，无需专人管理和日常维护，只需作定期检查，设备能耗低，设备风阻极低＜50pa，可节约大量排风动力能耗。其中TiO2 催化剂的寿命是无限延长的，无需更换。
    4.科技含量高：
       采用先进的高级氧化技术，突破单一体系的反应局限，在整个反应体系中，两种氧化能力极强的氧化剂—O3和·OH参与反应及185nm高能量紫外线直接裂解废气，使得脱臭效果更佳，恶臭气体矿化程度更高，可无害化排放，无二次污染。
     5.设备占地面积小，自重轻：
      适合于布置紧凑、场地狭小等特殊条件；优质进口材料制造，防水、防火、防腐蚀，使用寿命长。
      6.产品性能稳定：
      目前紫外线灯及专用高功率镇流器技术成熟。为了日后方便维护检修，每个镇流器设置电源和工作指示灯，可根据指示灯排查灯管或整流器故障。根据反馈的不良现象只需更换灯管或镇流器即可。

三、光解光催化三种技术的应用原理

   1.利用臭氧的强氧化性
     双波段紫外线的光谱图如下：

     
其中185nm波长紫外线，也叫真空紫外线，原理如下：

其中的O3就是常说的臭氧，它有极强的氧化性，目前废气处理用的光解紫外线灯主要是利于185nm紫外线持续和O2结合产生的臭氧来分解有机废气。

例如H2S的处理，硫化氢是强还原剂，O3是强氧化剂，它们的反应是：

但为什么经常很多客户反馈刚开始效果后越往后效果越差呢？

其实这个根本原因主要是来源于185nm紫外线的透过率和玻璃晶格变化和杂质影响导至的衰减有直接关系！

先来看一个图：

这个是常规254nm波长紫外线的衰减曲线图，254nm紫外线和185nm紫外线是在汞原子被激发后同时放射的，常规无臭氧只有254NM波长的紫外线灯是在石英玻璃里面加了TI（钛），把185nm紫外线过滤掉了。而双波段有臭氧紫外线灯则直接使用常说的没加TI的透明石英管。

254nm和185nm紫外线虽然在汞原子被激发后放射的比例不会改变，但185紫外线从石英玻璃管壁透出的比例和衰减程度受选用的石英玻璃材质区别和针对石英玻璃的处理方式影响就差别非常大了。因为波长越短的185nm紫外线对选用的石英材质要求越高。

面前市面上通常说的光解紫外线灯即臭氧灯，选用的石英玻璃一般是羟基含量小于15PPM，杂质含量小于50MMP，纯度在99.9%的石英玻璃，这种材料用于一般的制作紫外线杀菌用途的紫外线灯是可以的，因为254nm波长的紫外线透过相对来说要求没那么高，但185nm真空紫外线的透过对材料要求就比较高，真正的高臭氧紫外线灯羟基含量小于5PPM(实际上接近于0)，杂质含量小于20MMP，纯度在99.999%的石英玻璃，这种材质的石英玻璃制作的紫外线灯比常规市面紫外线灯臭氧产出率高30%左右。这个还不是关键，*主要是这种真正的高臭氧专用石英玻璃它在10000小时寿命期内185nm紫外线的衰减**只有20%，而常规有臭氧紫外线灯在点灯三四千小时185nm紫外线输出衰减受玻璃材质影响就近50%了!这才是越往后效果越不好的主要原因。

当然，高纯度高臭氧紫外线灯用石英玻璃比普通石英玻璃贵了一倍，并且要定制，由于市场混乱用户不太清楚这个也是大部分厂家用不好的主要原因。

2.利用185nm波长的高能量紫外线来打断分子键

部分化学分子键的结合能

185nm波长紫外线的光子能量高达647 KJ/mol，大多数化学物质的分子结合能比185nm波长的的能量低，因此污染物质分子键经过185高能紫外线光能的裂解能被打断，而大多数有机废气是C,H,O结构的，且化学键小于185NM紫外线能量，所以能把这些有机废气在有O2的情况下分解成CO2和H02。

但是值得注意的是，185nm波长紫外线是真空紫外线，一从灯管里出来就和O2结合产生了O3，所以他的“射程”极短，基本是在灯管表面或附近有少量强度，所以能通过185NM波长紫外线打断分键来处理的有机废气基本是能和灯管表面接触或灯管近距离的一部分。

例：苯分子光解机理：

苯的分子结构和分子键结合能：

苯是由氢原子(1s1) 和碳原子(1s22s22px12py1)构成的

苯（benzene， C₆H₆)有机化合物，是组成结构*简单的芳香烃，在常温下为一种无色、有甜味的透明液体，并具有强烈的芳香气味。苯可燃，有毒，为IARC**类致癌物。苯难溶于水，易溶于有机溶剂，本身也可作为有机溶剂。苯具有的环系叫苯环，是*简单的芳环。苯分子去掉一个氢以后的结构叫苯基，用Ph表示。因此