光解光催化废气处理用紫外线灯应用技术探讨（之二）

2018-08-07 来源：中链企通环保网浏览量:4233

河北冠宇环保设备股份有限公司

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：

臭氧过量：4O3+H2S=H2SO4+4O2

臭氧少量：4O3+3H2S=3H2SO4

以下实验内容引进《环境化学》第28期第5卷

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*大只有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第一类致癌物。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*大键能值），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，也只能起辅助作用，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*好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。
四、光解光催化技术在废气处理中的*佳应用方式
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，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。

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