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紫外线UV光解到底有多厉害？有机废气VOCs污染怎么治理？

你不了解的紫外线UV光解到底有多厉害？

有机废气VOCs污染能不能被治理干净？

改革开放30多年以来，工业废气排放越来越多，在党的十八大、十九大中，习近平总书记提出科学发展观，提出生态文明的战略发展思路。对于工业和生活领域，如何有效的处理有机废气和治理空气污染，缺是一个重大课题。近年来UV光解技术在处理挥发性有机废气（VOCs）和除臭方面得到了广泛应用。但是，对于UV光解技术处理VOCs的效果却褒贬不一。UV光解的原理是什么？其效果到底怎么样？是否能有效的处理废气改善空气质量？

答案当然是肯定的，下面我们就一起来探讨下UV光解的一些知识。

一、什么是紫外线UV光？

我们平时常见的白色太阳光，实际上是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种单色光组成的。其中可见光处在波长380-780nm之间（有的说400-800nm）。紫外光是电磁波谱中波长从10~380nm辐射的总称，肉眼是看不到的。

紫外光开始于可见光的短波极限，而与X射线的长波波长相重叠。紫外光可划分为长波（UVA，315～380nm）、中波(UVB，280～315nm)、短波(UVC，200～280nm)、真空紫外(UVD，10～200nm)4个波段，相应的源分别称之为长波、中波、短波和真空紫外光源。

二、什么是紫外光源？

紫外光源是以产生紫外辐射的的非照明用光源。紫外光源具有荧光效应、生物效应、光化学效应和光电效应，适用于工业、农业、国防和医疗等领域。

紫外光源主要有紫外线高压汞灯（～365nm）、低压汞灯(～254nm和185nm)等等。低压汞灯是利用较低汞蒸汽压（<10-2Pa）被激化而发出紫外光，其发光谱线主要有两条：一条是254nm波长；另一条是185nm波长，这两条都是肉眼看不见的紫外线。

由于紫外线无法通过普通玻璃，因此必须使用石英玻璃，而且是高纯度的石英玻璃，对杂质含量要求非常高。如果在石英玻璃中含有钛元素，对200nm以下的紫外线具有截止作用，而对254nm紫外线透过基本无影响。利用这个原理，可以通过控制钛元素的添加量，可有效的控制185nm紫外线的逸出（通过）量。由于185nm的紫外线能够激发空气中的氧气生成臭氧（O3），因此通过改变石英玻璃的性能，控制臭氧产生量，以制作低臭氧(无臭氧)、臭氧、高臭氧等三种紫外灯管。

除高压汞灯、低压汞灯外，目前部分企业还生产出更多类型的紫外光源，成都巨源光电生产的微波无极紫外灯、铁灯、双管微波无极紫、快速启动碘镓灯、球型氙气灯、脉冲氙灯3D打印疝气灯等都能发出既定范围内的紫外线。加上自主研发的微波无极紫外光泵和微波无极紫外设备，使紫外线强度更高，更易控制，可以同时并存微波、紫外线、臭氧三者并存共同起到杀菌消毒、表面清洁改性、材料光固化、有机污染物分解等作用。

三、光子能量与化学键键能怎么计算？

光子能量计算公式为：E(能量)=h(普朗克常数)×H(频率)，可将计算公式简化为E=1240/λ（λ为光波长，nm），光子能量可以按照这个简单公式来计算，光子波长越短其能量越高。100nm光子能量为12.4eV；200nm光子能量为6.2eV；300nm光子能量为4.1eV；400nm光子能量为3.1eV。

表2为挥发性有机物中常见的化学键的键能，同时增加了氧气（O2）的键能。从表中可以看出，C-N和C-S键的键能较低，容易断裂。氧气（O2）中的O=O的键能为5.16eV。当紫外光的光子能量大于化学键键能时，紫外光光子可以破坏化学键。由于C-N和C-S键的键能较低，因此任何波长的紫外光都可以解离C-N和C-S键。而O2中O=O键的键能为5.16eV，对应的紫外光波长为240nm，理论上波长小于240nm的紫外光，可以解离氧气分子生成氧原子。氧原子再与氧分子结合生成臭氧（O3），这也是为什么185nm紫外光能够生成臭氧，而254nm紫外光不生成臭氧的原因。

四、紫外光是怎么消除VOCs和消除恶臭？

从前面的分析可知，当紫外光照射VOCs时，如果紫外光波长在240nm以上，那么无法激发氧气生成臭氧，但能激发键能较低的C-N和C-S键，也可以使之解离。但是紫外光波长小于240nm时，不但能激发氧气生成臭氧，还能对键能较高的化学键起到激发和解离作用。如果化学键得到激发，那么有机物分子变的更为活泼，使得容易进一步氧化。

当前紫外光在VOCs和恶臭消除领域有着广泛的应用，与UV光相关技术有UV光解氧化技术、光催化技术、臭氧氧化技术，具体如下：

1.什么是光催化技术？

光催化剂是在光的照射下，自身不起变化，却可以促进化学反应的物质。光催化剂是利用光能转换成为化学反应所需的能量，来产生催化作用，使周围之氧气及水分子激发成极具氧化力的OH-及O2-自由负离子。几乎可分解所有对人体和环境有害的有机物质。目前效果较好的是二氧化钛（TiO2）光催化剂，TiO2光催化剂只能在紫外光照下有效，可见光是无效的。光催化技术的关键点是必须有高性能的光催化剂。据悉光催化的反应效率（速度）相对比较低。玻璃的自清洁就是利用光催化的原理。

2.什么是臭氧氧化技术？

由于在240nm以下紫外光能够产生臭氧，在此有必要解释一下臭氧。臭氧（O3）是一个非常强的氧化剂，能在短时间内将空气中的浮游细菌消灭，分解毒气、VOCs，去除恶臭。因此臭氧可用于净化空气、饮用水，杀菌，处理工业废物和作为漂白剂。臭氧也能与VOCs反应，将VOCs氧化成无毒无害的CO2和H2O。

3．什么是UV光解技术？

UV光解技术作为消除VOCs和恶臭目前比较流行的技术，特别在处理低浓度VOCs方面有很多的应用。在网络上可以看到许多环保产品宣传都用UV光解氧化这个名字。然而，从“UV光解”这个名字，让人的感觉是紫外光来解离有机物直接把VOCs破坏了。实际中应用中，都是采用简单的185和254nm的紫外灯管。根据前面介绍，我们很容易想到，只要有185nm的紫外线，就会有臭氧产生。臭氧具有非常强的氧化性，它能和所有有机物反应，破坏有机物分子，如果有足够的臭氧，最终可以将有机物氧化到二氧化碳和水。当然，紫外光也能够破坏有机物，但是这些有机物碎片能否与氧气反应不得而知。破坏有机物并不等于把有机物转换为无害的二氧化碳和水，如果仅仅把大分子打碎变成小分子，那么VOCs依然存在。这些有机物碎片估计不能与氧气反应，如果能与氧气反应，那么就不需要光催化技术了。因此，所谓UV光解（氧化）技术如果没有光催化剂的配合，其实就是臭氧氧化技术。

对于UV光解技术的脱臭，由于恶臭物质一般含有N和S的有机物，而有机物中的C-N键和C-S键的键能较低，很容易和臭氧也很容易被UV光解离，只要破坏了有机物中的C-N键和C-S键，那么臭味将大大降低或消失。这也许是我们经常听到的UV光解对恶臭效果较好的原因。

如果UV光解设备，没有配备光催化剂，假设只通过臭氧来氧化VOCs。以甲苯为例，假设甲苯浓度为10ppm（41mg/m3），风量为10000m3/h。通常来说臭氧中只有一个活性氧[O]，如果按照如下化学计量反应：

C7H8(甲苯)+18O3=7CO2+H2O+8O2

假设臭氧全部利用，不发生逃逸。那么10ppm甲苯，需要180ppm的臭氧（O3），即385mg/m3。

传统的185nm的UV光管，每瓦每分钟产生0.1mg臭氧，也就是每瓦每小时产生6mg臭氧。即1m3/h气体需要配置64W功率的UV光管（假设出生臭氧是线性的）。如果处理1000m3/h，需要64KW的光管，这样的能量消耗已经非常大了。如果采用电晕放电法臭氧发生器，文献上查到的数据是1000g臭氧耗能7500W，是1m3/h需要那么2.9W，1000m3/h只需要2.9KW。也就是说，如果仅仅利用了UV光的臭氧，那么效率是相对低下的。

假如按照如下化学计量发生反应：

C7H8(甲苯)+6O3=7CO2+H2O

那么处理1000m3/h的有机废气，前者需要21.3KW（即使这样实际中也是不可能，后者需要0.97KW。

还有一个可能是，如果有机物的键（C-C，C-H键）能够被UV光打断，是否能直接能与氧气发生反应生成CO2和H2O。那么，如果这种方式成立的话，就不需要前面所讲的光催化剂了，可见被UV打碎的有机分子，是不容易和氧气反应生成CO2和H2O。即使这个过程成立，那么打碎有机分子也是需要能量的，由于计算难度太，这里无法给出定量的数据了。