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

结合 结合能(KJ/mol) 结合 结合能(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。因此苯也可表示为PhH。

苯与苯基

　　CAS号 71-43-2               沸点 353.25 K(80.1 ℃) 

　　RTECS号 CY1400000

 C=C、C-C、C-H键键能分别为611kJ/mol、332kJ/mol、414kJ/mol

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

　　化学式 C6H6                    结构平面六边形

密度 0.8786g/mL              闪点 -10.11℃（闭杯）

熔点 278.65 K(5.5 ℃) 　    自燃温度 562.22℃

　　摩尔质量 78.11 gmol-1  

标准摩尔熵So 298173.26 J/mol•K

标准摩尔热容 Cpo135.69 J/mol•K (298.15 K)

根据苯物质结构特性，我们不难理解，当UV光子能量大于611kJ/mol时（取**键能值），苯环将被断开，形成离子状态的C- C+ C-C+ C- C+及H- H+ H- H+ H- H+ ，在分子键被打断后分别与臭氧发生氧化反应。苯分子（C6H6）*终裂解氧化生成为CO2及H2O。

附：常见的废气污染物化学性质及其物质光解氧化转换表

序号 名

称 分

子

式 分

子

量 气味特征 主要化学键 对应化学键键能KJ/mol 光化学反应*终产物

1 氨 NH3 17 强刺激气味，无色气体。 H-N 389 H2O、N2

2 硫化氢 H2S 34 有臭鸡蛋气味，无色气体 H-S 339 H2O  、SO42-

3 三甲胺 C3H9N 59 无色气体，有鱼腥恶臭 C-H、C-N 414、305 H2O  、N2、CO2

4 苯酚 C6H5OH 94 常温下为一种无色或白色晶体有特殊芳香气味 C=C、C-H

C-O 611、414、326 H2O、CO2

5 苯 C6H6 78 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 C=C、C-H 611、414 H2O  、CO2

6 甲苯 C7H8 92 常温下为清澈的无色液体，具有类似苯的芳香气味。 C=C、C-H、

C-C 611、414、332 H2O、CO2

7 二甲苯 C6H4(CH3)2 106 常温下为无色液体，具有类似苯的芳香气味。 C=C、C-H、

C-C 611、414、332 H2O、CO2

8 苯乙烯 C8H8 104 无色、有特殊香气的油状液体 C=C、C-C、

C-H 611、332、414 H2O、CO2

9 乙酸乙酯 C4H8O2 88 无色透明有芳香气味的液 C-H、C-O、

C=O、C-C 414、326、

728、332 H2O、CO2

10 甲硫醚 C2H6S 62 有难闻的气味 C-C、C-H、

C-S 332、414、272 H2O、CO2、SO42-

11 甲硫醇 CH4S 48 无色气体，有不愉快的气味 C-S、C-H、H-S 272、414、339 H2O、CO2、SO42-

12 二甲二硫 C2H6S2 94 淡黄色透明液体，有恶臭 S-S、H-S、S-C、C-H 268、339、268、414 H2O、CO2、SO42-

13 乙醛 C2H4O 44 无色易流动液体，有刺激性气味 C=C、C-O、

C-H 611、326、414 H2O、CO2

14 甲醇 CH3OH 32 无色有酒精气味易挥发的液体，有毒 C-H、C-O、

H-O 414、326、464 H2O、CO2

15 丙烯醛 C3H4O 56 无色或淡黄色液体，有恶臭 C=C、C-O、

C-H 611、326、414 H2O、CO2

16 苯胺 C6H5NH2 93 无色油状液体，有特殊气味 C=C、C-H、N-H、C-C 611、414、

389、332 H2O、CO2、N2

其中所说的光化学反应，一是打断分子键裂解分子结构，二是同时氧化还原反应，两种作用其实是同时进行的。

3.利用254nm波长的紫外线的光催化作用来分解有机废气

  光催化原理是日本人发明的，这个目前在家用空气净化机上目前也被广泛应用，

由于这些特点，他的一次生分解效率较低，所以比较适用空气不断循环的室内环境，可以往返不断分解不断稀释起到空气净化的作用，在工业废气处理中往往气体是一次性通过，就算多加几层光催化网几次紫外线灯，能起辅助作用，不能完全靠它来有效有分有机废气。

同时，光催化对涂有TIO2（二氧化钛）的原料纳米等级也是有特别要求，对于他的附着处理**是配金属网烧结形式固定，不是随便喷涂上去就可以，要不然会很快失效（针对光催化的应用豪澋环保另用专门文章讲解）。

四、光解光催化技术在废气处理中的**应用方式

前期进气要预处理到位，比如喷淋、过滤，等离子等，要保证进气无固定污染物（否则灯管表面附着物过多短波紫外线很难透过），然后让主要有机无机废气成份经过双波段紫外线灯的光解反应区，然后让气体再经过254纳米波长单波段光催化辅助反应区，在这个反应区一是光催化分解，另外更重要的一点是254nm波长紫外线会大量分解掉反应完过量的O3臭氧（困为排放到大气中的O3也是一种污染原），使O3还原成氧气，O3还原成氧气的过程会有大量活气O原子，在光催化的作用上会进一步配合分解反应。同时，如果在末端再加上一至两层臭氧催化网分解掉残余的少量臭氧，这样排放出来的空气则洁净如新。

补充：本文只从紫外线灯的原理方面详细分析了光解光催化紫外线灯在废气处理中的应用，至于不同的气体成份不同的浓度时需多少紫外线灯这个课题很多应用厂家已建立实验室在研究，随后我司的工程样机到位后我们也会做进一步实验用事实说话来和大家分享。

*后希望大家多做研究，用科学依据和实验结果来验证产品，做出更多有真正的好产品为国家的环保事业做出贡献！