Optoelectronic technology

How powerful is the UV UV photolysis? How to control the VOCs pollution of organic waste gas?

How powerful is the UV UV photolysis? How to control the VOCs pollution of organic waste gas?

In the field of industry and life, it is a major issue how to effectively deal with organic waste gas and control air pollution. In recent years, UV photolysis technology has been widely used in the treatment of volatile organic waste gas (VOCs) and deodorization. However, the effect of UV photolysis technology on the treatment of VOCs is commended. What is the principle of UV photolysis? What is the effect in the end? Can the waste gas be treated effectively to improve the air quality?

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。