膜法在废气处理中的应用
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摘 要：简要介绍了含硫废气和有机废气的来源与危害。较详细地论述了中空纤维膜法、双极膜法处理含硫废气，中空纤维膜法主要是使用利用膜上的微孔将气、液两相分隔开来，并利用吸收剂吸收烟气中的硫;双极膜法主要利用电能为推动力去除硫。吸收膜法、选择性分离膜法、传质分离膜法处理有机废气，主要利用吸收剂吸收废气中的有机物、膜对气体的选择性分离、不同物质在膜中的传递速度不同而处理有机废气。
关键词：含硫废气 有机廢气 膜法
Abstract： The sources and hazards of sulfur waste gas and organic waste gas were briefly introduced. The hollow fiber membrane method and bipolar membrane method are discussed in detail. The hollow fiber membrane method separates the gas and liquid phases by using micropores in the membrane， and to absorb the sulfur in the flue gas by using absorbent. The bipolar film method mainly uses electric energy as the driving force to remove sulfur. The absorption membrane method， selective separation membrane method and mass transfer separation membrane method are mainly used to treat organic waste gas， by absorbing the organic matter in the waste gas， selective separation of the gas by the membrane， and different transfer speed in the membrane.
Key Words： Sulfur waste gas; Organic waste gas; Membrane
目前世界各国都面临着大气污染问题，大气污染物不仅可以通过呼吸道和皮肤对其周围的人造成不可逆转的伤害，同时还会造成二次污染、引起温室效应，改变全球的气候环境，所以废气的处理越来越受到大家的重视。大气污染物主要是工业产生的废气。工业生产的工艺不同，产生的污染物种类也不同，所以不同污染物种类需要采用不同的处理工艺。
传统的废气的处置方法有直接燃烧、催化氧化法、生物法、吸附法[1]等。膜技术在很早之前就受到大家的关注，但是最近才迅速发展起来，与传统的方法相比有很多优点。膜技术的主要应用对象是流体，适用于废气和废液的处理。膜技术主要采用电能、压力或者化学位差等外界推动力，对流体进行分离、纯化和浓缩[2]。膜技术分离效率高、工艺简单、无二次污染，因此被广泛应用到各个领域。目前已有大量的研究和应用使用膜技术进行烟气脱硫和处理有机废气。
1 膜法脱硫
目前，粉尘/可吸入颗粒物、二氧化硫、氮氧化合物、一氧化碳、挥发性有机化合物物等成为我国大气的主要污染物，粉尘/可吸入颗粒物、二氧化硫主要是由于煤和石油的燃烧。含硫烟气较为典型的处理工艺：湿式抛弃工艺、湿式回收工艺和干式工艺。随着科技与经济的快速发展，世界各国非常重视脱硫新技术的研究。
1.1 中空纤维膜吸收法
中空纤维膜吸收法，是利用膜上的微小细孔，利用扩散-吸收的机理，将膜和普通的吸收过程相结合，膜对于气体是没有选择性的，对于气体中的二氧化硫的选择性吸收主要是依靠膜另一侧的吸收剂决定的。利用膜上的微小细孔给气、液两相间提供传质的场所[3-4]，与传统的吸收过程相比，膜吸收法具有以下优点：膜层是气、液两相的界面，气体和吸收液不需要混合，气、液两相各自独立、互不干扰;气体和吸收液的流量、浓度可以在较宽的范围内变动;可以根据需求选择膜面积，可以提供良好的气液传质界面。
烟气中的SO2可以通过膜的细孔进入到液相的吸收剂侧，并与吸收剂反应而被吸收，烟气中的O2、N2等其他气体被截留在气相中。很多学者在中空纤维膜法烟气脱硫方面做了研究。邢鹏[5]研究了吸收剂溶液为Na2SO3或NaOH，它与溶解后的SO2反应生成NaHSO3。使用电渗析技术，对NaHSO3进行再生。再生过程是以电位差为推动力，利用双极性膜的水解离作用和离子交换膜的选择透过性，使水解离为H+和OH-，其中OH-与NaHSO3反应生成Na2SO3，吸收剂再生后可以再次用于SO2的吸收。
大连化物所金美芳等[6]研究了以NaOH水溶液作为吸收液脱除SO2，并对脱除效果进行了验证，结果表明中空纤维膜对SO2的脱除效果较好，其稳定性和重复性良好。
华东理工大学熊丹柳等[7]研究了以柠檬酸钠、亚硫酸钠、亚硫酸氢钠溶液为吸收液，同时研究了不同膜液浓度时膜组件对烟气中SO2的吸收率，经过实验证明，柠檬酸钠溶液对于SO2的吸收效果较好。
由于吸收法使用的吸收剂可能是碱性的，吸收SO2后为酸性，所以要求膜材料必须耐酸碱同时具有稳定性。
1.2 双极膜法
双极膜电渗析法烟气脱硫循环使用氢氧化钠，脱硫过程中只消耗电能，无固体废弃物和废液排放。同时，可以把烟气中气态的SO2转变成经济价值较高、纯度很高的硫酸溶液，不仅解决了废气问题，同时产生了纯度较高的硫酸溶液，具有很好的经济效益。我国自主研发的双极膜法烟气脱硫技术已经在工业上应用成功[8]。根据研究的监测报告显示，双极膜法脱硫的SO2吸收效率在98%以上，所以排放的SO2浓度几乎是零，完全符合国家排放标准。 膜法烟气脱硫技术研究亟待解决的主要问题：一是开发运行稳定且价格合适的膜材料;二是开发经济、高效的膜清洗剂;三是确定膜的选择和应用标准;四是提高膜法脱硫的效率。此外膜是否抗污染、工艺的动力消耗等方面，对于膜技术的应用也非常关键。
2 膜法处理有机废气
挥发性有机废气（VOCs）是指沸点在50℃～260℃、室温下饱和蒸气压超过133.3Pa的挥发性有机化合物，其主要成分为烃类、卤代烃、芳香烴等。环境中的有机废气不仅会造成严重的环境污染，产生光化学烟雾、形成酸雨等，对于人体的伤害也很严重，甚至会导致癌症和其他疾病。VOCs处理越来越受到大家的重视，很多发达国家都颁布了相应的法令以限制VOCs的排放，VOCs处理也是大气污染控制中比较重要的内容[9]。
2.1 吸收膜法
有机废气的组成复杂，采用膜吸收法处理有机废气，可以选择性分离并回收有机废气。膜吸收法利用的推动力是膜两侧的浓度差，膜对于有机废气没有选择性，主要是吸收液可以吸收有机气体，所以对于处理有机废气的膜，膜的材质必须避免有机溶剂的影响，否则有机溶剂可能会改变膜的性能，导致膜的传质过程受到影响。同时，研究出一种对膜材质侵蚀性较小、对有机废气吸收能力更强的吸收剂，也是该法处理有机废气研究的一个重点。膜吸收技术[10-11]与其他的VOC净化技术相比：具有稳定的传质界面、比表面积大、传质效率高，低能耗，装置体积小，操作稳定等优势;可以根据需求，选择合适的膜面积，工艺易实现自动化连续操作，运行成本低;可以回收高纯度的有机物，无二次污染的风险;容易实现工业化。
因此，开发经济适用的膜材料、选择与膜材质兼容的高效吸收剂、优化工艺操作参数、增强工艺的稳定性是研究的重点，可以让膜吸收技术更好地应用在VOCs的治理上。
2.2 选择性分离膜法
以压力差为推动力，使废气中的有机废气透过膜，膜对于废气中的有机物具有选择性，该膜对有机蒸气较空气更易于渗透。有机物可以透过膜，从废气中分离出来。分离膜是由分离层和支撑层组合而成，分离层具有分离性能，而多孔支撑层具有一定的机械强度。分离层材料一般均为具有高度选择性的聚二甲基硅烷，能够决定膜的分离效率，而支撑层对于膜性能的稳定性非常重要。常用的支撑层材料为聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯。
M. Leemann等[12]采用聚二甲基硅氧烷（ PDMS） 中空纤维半渗透膜分离空气中VOCs，发现二甲苯、甲苯及丙烯酸等的通量是空气的100倍以上。根据试验结果进行的经济可行性分析，发现在较高VOCs浓度和较低通量下，此工艺比传统工艺有较大的经济可行性。
选择性膜分离技术常用于回收具有高价值的VOCs，尤其是处理卤化碳氢化合物，较其他技术更有优势。现在世界上已有近60套膜分离VOCs的装置。在美国大部分装置用来回收CFCs、HCFCs、氯乙烯等高价值产品：在欧洲和日本主要从石油运输操作中，回收碳氢化合物。
2.3 传质分离膜法
传质分离法的基本原理是，膜不具有选择性分离作用，而是在以压力为推动力的作用下，混合气体中各组分透过膜的传质速率不同，从而分离出有机废气。目前多套膜分离的设备已在工业上应用，适用于回收气体中的VOCs。
随着大气污染现象的日益凸显，使用膜技术能够有效地对废气中的挥发性有机物进行回收，可以为企业带来经济效益。
3 结语
现阶段，膜技术已成功地用于许多领域，受到各行各业的重视，应用增长最快的领域是控制水污染和大气污染，既可以达到环保排放要求，又充分利用了资源。利用膜技术与其他工艺相结合，可以解决很多棘手的环境问题，同时节约成本，回收有价值的资源。当然膜技术还存在一些不足，但是随着社会和经济的发展及膜研究的深入，膜技术也会越来越成熟，具有广阔的应用前景。
参考文献
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[11] 李睿.膜吸收净化含苯废气及其传质性能的研究[D].南京理工大学，2010.
[12] M.leem ann. Vapor Permeation for the Recovery of Organic Solvents from Waste Air Streams：Separa tion Capacities and Process Optimization[J].Membr. Sci，1996（113）：313-322.
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