“煤全生命周期中VOCs防治理论与技术“专题

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“煤全生命周期中VOCs防治理论与技术“专题

来源：洁净煤技术

行业视野: 煤化工
类别; 51个
关键词; 46位
专家; 13篇
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《洁净煤技术》2022年第2期封面

作者(Author)：《洁净煤技术》

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2022年第02期

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《洁净煤技术》2022年第2期客座主编致读者

作者(Author)：惠世恩

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2022年第02期

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《洁净煤技术》2022年第2期目次

作者(Author)：《洁净煤技术》

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2022年第02期

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活性炭负载TiO2吸附与光催化降解甲醛研究进展

作者(Author)：惠世恩, 朱新伟, 王登辉, 刘长春

摘要：甲醛污染日益严重，有效降解甲醛是亟需解决的现实问题。以生物质材料、不同变质程度的煤、石油焦等为原料制得的活性炭具有比表面积大、吸附效率高等优点，在吸附、分离甲醛污染物方面具有显著优势。综述了活性炭吸附机理及改性机理、TiO2光催化反应原理、提高光催化活性的途径、TiO2负载等，分析比较了活性炭和TiO2/AC对甲醛的吸附降解性能，并对活性炭改性、TiO2/AC吸附-光催化的未来方向进行了展望。活性炭以物理吸附为主，在一定压力、温度条件下会发生脱附，造成二次污染。通过酸化改性可改变活性炭的孔径分布和表面酸性官能团含量，将物理吸附转变为物理-化学联合吸附，可有效提高甲醛分子在活性炭表面的吸附。除了活性炭吸附甲醛外，TiO2无毒无害、安全绿色、光催化效率较高，是公认的较理想光催化降解甲醛等污染物的材料，根据TiO2光催化原理，通过—OH和—O-2两种氧化能力极强的活性物种，甲醛等污染物能被催化降解为CO2、H2O或其他无机小分子。然而，TiO2量子效率低、可见光吸收范围窄、重复利用率低等问题限制其大规模工业应用。金属离子掺杂进TiO2后形成电子、空穴的浅捕获势阱，非金属阴离子取代TiO2氧位后，改变结构的畸变程度，一定程度上减少了电子-空穴对的复合。通过复合敏化可将禁带宽度不同的半导体组合形成一个异质结，拓宽复合催化剂的光谱响应范围。将TiO2负载在活性炭上制得TiO2/AC吸附催化协同材料，有利于解决催化剂难以回收利用的问题，通过活性炭对甲醛的吸附与浓缩，为光催化提供良好的反应环境，提高降解速率。通过控制活化与炭化过程，开发出具有特异吸附能力的活性炭；随着对TiO2机理的深入探究，制备去除效率高、吸附容量大、能耗低、具有选择性的TiO2/AC材料，提升吸附催化协同材料的制备水平，有利于实现高效清洁降解甲醛的技术目标。

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生物降解疏水性VOCs现状分析

作者(Author)：方翔, 程凯, 郭冀峰

摘要：随着社会现代化进程不断加快，大量挥发性有机化合物（VOCs）排入大气，严重危害生态环境和人体健康，VOCs排放控制与降解引起广泛关注。近年来，由于生物法降解VOCs具有成本低廉、净化效率高、操作简便、无二次污染等优点，研究应用较为广泛。然而，由于疏水性VOCs从气相到液相的低传质，导致生物反应器对VOCs的降解效率较低。从传质效率、微生物群落种类及填料性能3方面分析了生物降解疏水性VOCs的影响因素，探讨了真菌生物的应用、表面活性剂的添加、亲水性化合物的利用及新型生物降解技术等疏水性VOCs生物降解效率改进方法，并对未来生物降解疏水性VOCs研究方向进行了展望。改善污染物在生物反应器中的传质效率尤为重要，未来需加强疏水性VOCs在生物膜中的迁移和降解机理研究。随着环境变化，如水分减少、pH降低，接种的细菌对VOCs的降解效率下降。而真菌对环境变化耐受力较强。生物反应器中填料会影响微生物的附着和生物膜的形成，从而直接影响VOCs降解效率。选择和开发合适的填料能为微生物群落的生长、代谢以及生物膜的发育提供良好的生态环境，为反应器长期稳定运行提供保障。真菌具有气生菌丝的优势，有助于疏水性VOCs的吸收，从而提高疏水性VOCs的去除率，但目前能降解疏水性VOCs的真菌较少，未来应该致力于开发更多能降解疏水性有机化合物的真菌。表面活性剂可以通过将疏水有机污染物分配到表面活性剂胶束的疏水核心来增加其溶解度，提高疏水性VOCs的传质效率，相较于传统的化学表面活性剂，生物表面活性剂环保、毒性小、易生物降解，未来应加大对生物表面活性剂的研究。将亲水性化合物与疏水性VOCs混合，不同污染物之间可产生相互作用，提高疏水性VOCs的溶解度和生物利用度，但其机制有待研究。新型生物反应器能解决传统生物反应器对于疏水性VOCs降解效率较低的难题，如两相分配生物反应器(TPPBs)、膜生物反应器(MBR)及生物电化学系统(BESs)等，但成本和能耗都较高，需加强相关研究。

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低温等离子体协同催化技术处理VOCs研究综述

作者(Author)：韩丰磊, 季纯洁, 张子琦, 朱一凡, 李丹丹, 张婷婷, 周硕, 郭雯雯

摘要：针对浓度较低、流量较大的挥发性有机化合物（VOCs）的治理，传统处理技术在技术和经济上存在一定局限性，达不到预期结果。而低温等离子体（Non-Thermal Plasma，NTP）技术在处理VOCs方面具有反应器处理费用少、反应器结构简单、适用范围广、反应条件温和等优点，近年来受到广泛关注。单独等离子体降解VOCs存在O3、NO2、有机副产物众多等问题，易对环境造成二次污染。低温等离子体协同催化降解VOCs体系对于提高VOCs降解率、降低反应系统能耗、减少有害副产物产生均有显著作用。详细介绍了NTP协同催化降解VOCs技术，总结了NTP协同催化降解VOCs的影响因素、不同催化体系和放电类型对降解率的影响，对等离子体技术降解VOCs机理及低温等离子体协同催化降解VOCs的机理进行了推断，并阐述了等离子体技术与催化剂催化在降解VOCs方面产生的协同作用，最后对该技术进行了展望。目前单一处理技术很难满足VOCs的处理要求，普遍采用多种技术耦合的方式进行处理。近年来学者将低温等离子体技术与催化技术联合，对提高VOCs降解率、降低反应系统能耗、减少有害副产物产生均有显著作用，该技术具有可行性和研究价值。目前研究集中于催化剂与低温等离子体的复合方式、催化剂种类、工艺参数等因素对污染物的降解效果，研究不深入。等离子体技术仍存在矿化率较低、副产物多等缺点，如等离子体内反应后会产生NOx、臭氧等副产物，形成二次污染。由于气体放电产生的低温等离子体中活性自由基种类繁多，降解VOCs的化学反应过程复杂，关于低温等离子体与催化协同的作用机理还不明确，尤其是等离子体降解VOCs的分子动力学基础理论还有待进一步研究。因此，应立足本质安全，着眼于工业应用，提出一套适于低温等离子体协同催化治理VOCs工艺特性的安全评价理论、方法与工具，对整个工艺体系开展全方位的危险性辨识与风险评价，确定可能的安全隐患，并给出改善举措，最大限度降低工艺流程设计中的不合理选择与缺陷，从根本上达到安全工业应用的目标。

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煤化工VOCs中苯的静电纺丝纳米纤维吸附研究进展

作者(Author)：冯宇, 武慧恩, 周闯, 张立, 崔洪

摘要：随着煤化工行业的不断发展壮大，与煤焦化和煤气化等核心煤化工过程相伴的污染物排放问题日益突出，其中挥发性有机化合物（VOCs）对我国空气质量造成了一定影响。作为VOCs的代表之一，苯有毒性且易挥发，严重危害人类健康。为清晰了解煤化工VOCs排放控制技术的优化方向和发展现状，为煤化工VOCs中苯的净化提供理论储备，梳理总结了静电纺丝纳米纤维复合材料用于苯吸附净化过程的相关材料和技术。围绕目前处理苯的主要技术方法进行分析，指出其在实际应用中存在的问题。重点介绍了吸附法的优点、作用方式、常用吸附剂类型和特点等，并指出选择合适的吸附剂是VOCs及苯等污染物吸附处理的核心，如何选择、组合以及提高各类型吸附材料的吸附性能并寻求有效的吸附净化技术是需要不断完善的课题。重点介绍了具有多孔结构、可调控、高比表面积特点的纳米纤维及其在气体净化领域的运用。从纳米纤维制备角度阐述了静电纺丝合成纳米纤维复合材料的基本原理、基本过程和研究现状，结果表明：静电纺丝设备简单、加工成本低、可纺原料种类多、过程可控，在制备纳米纤维技术中占据绝对优势。与常规纤维相比，静电纺丝纳米纤维尺寸更小、比表面积更大、孔隙率更高，能够在气固反应过程中提供更大的有效反应面积，为活性组分均匀有序分布提供丰富的骨架结构。结合静电纺丝纳米纤维材料净化VOCs的应用现状，指出了该领域存在静电纺丝聚合物纳米纤维和碳纳米纤维机械强度不足、纺丝液溶剂具有毒性和腐蚀性以及静电纺丝效率较低等问题。最后，明确了静电纺丝纳米纤维在VOCs和苯吸附净化领域的发展方向：深入理解并有效预测与控制纺丝过程、加强纺丝材料的功能化扩展以及发掘静电纺丝的工业化应用潜力等。

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生物炭材料吸附VOCs研究进展

作者(Author)：黄钰坪, 王登辉, 惠世恩, 刘长春

摘要：挥发性有机化合物（VOCs）因其对生态环境和人类健康的严重危害而受到广泛关注。VOCs处理技术主要有焚烧法、冷凝法、吸附法和催化氧化法等，其中，吸附法以成本低、效果稳定、吸附剂可再生等优点被认为是一种高效、经济的处理手段。生物炭是一种绿色环保、廉价易得的炭质吸附材料，近年研究较多。介绍了生物炭基本吸附特性，对比不同制备和改性方法的优劣，重点分析了比表面积、孔隙特性和官能团等因素对生物炭吸附VOCs的影响，讨论了生物炭吸附VOCs的机理。生物炭原料来源广泛，原料种类、含量和成分差异都会影响生物炭的结构性质，从而影响其吸附能力。生物炭具有丰富的官能团和复杂的孔隙结构，一般采用常规热解方法在适当温度下制备的生物炭产率较高，结构性能较好。现阶段对生物炭改性效果显著的方法包括物理改性和化学改性，且生物炭改性后具备很高的VOCs吸附性能。通常生物炭比表面积越大，吸附性能越好；孔径越大，对大分子VOCs吸附更有利，但孔径远大于VOCs分子直径时，分子间吸附减弱；孔径越小，对小分子VOCs吸附更有利，但孔径过小也会增加VOCs的扩散阻力。较大的比表面积、适当的孔径以及针对被吸附VOCs气体极性进行改性使得生物炭具有较好的吸附性能。生物炭吸附VOCs的机理主要包括炭化区的吸附和非炭化有机物的分配，炭化温度小于300 ℃时分配作用为主要作用。比表面积越大，孔隙结构越发达，越有利于物理吸附；化学吸附一般通过生成化学键（如氢键、π—π键）产生作用。多组分VOCs会发生竞争吸附，且吸附亲和力较强的气体会取代吸附亲和力弱的气体。生物炭在相关领域的研究主要集中在实验室阶段，原料运输以及二次污染等问题使得生物炭吸附在工业上还未有成熟应用。提出未来生物炭吸附VOCs重点研究方向在于开发靶向改性生物炭、新型环保型生物炭复合材料、降低生物炭材料生产成本以及在分子水平上进行模拟研究。

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