湿法洗涤过程中多孔石墨化炭对有机废气的增强传质、富集与催化氧化

Wet scrubbing is one of the methods for treating low-concentration gaseous organic wastes. For those VOCs with low solubility in water, their wet scrubbing efficiencies are limited due to poor gas-liquid mass transfer. Therefore this proposal is focused on the utilization of high-surface-area porous graphitized carbons (PGC) to promote the gas-liquid mass transfer and the concentration of VOCs in aqueous scrubbing systems, and the coupled advanced oxidation processes to achieve mineralization. Due to the strong hydrophobicity and organophilicity, PGC can effectively capture VOCs and transfer them to aqueous scrubbing systems, and then these organics can be degraded by the reactive oxygen species generated by the advanced oxidation processes. The proposed researches include the synthesis and modification of high-surface-area PGC, the effects of graphitization degree, textural property and surface functional groups on the VOCs accumulation in water, the VOCs mass distribution in air-water-PGC systems, the VOCs adsorption kinetics on PGC, the dynamic breakthrough in the scrubbing systems, the VOCs oxidation and mechanism in both batch reactor and continuous-flow one, the catalytic activation of advanced oxidation processes by PGC and the derivatives. The aim of these fundamental researches is to bring about some new ideas for the abatement of volatile organic compounds.

湿法洗涤是处理低浓度有机废气的方法之一。由于很多挥发性有机物（VOCs）的水溶性较差，其较低的气-液传质效率会影响湿法洗涤的效果。本项目申请提出通过在洗涤液中分散高比表面积的多孔石墨化炭（PGC）来增强VOCs的气-液传质与液相富集，并与高级氧化体系耦合实现VOCs的氧化矿化。石墨化炭表面具有高度疏水和亲有机物的能力，可以有效的将VOCs捕获到表面，转运分散到水中，然后被高级氧化体系产生的活性氧自由基氧化。研究内容包括：高比表面积PGC的制备与改性方法优化，PGC的石墨化度、孔结构、表面官能团与不同类型VOCs的液相富集行为之间的关系，VOCs在空气-水-PGC三相之间的分配规律，VOCs在PGC上的吸附动力学，连续流VOCs在洗涤液中的穿透特征，间歇和连续流VOCs的高级氧化特征及机理，PGC及改性材料对高级氧化体系的催化活化等。期望通过基础性的研究，为有机废气排放控制提供新的技术思路。

湿法洗涤是一种传统的废气处理方法，具有操作简单、条件温和、成本低等优点，常用于烟气脱硫脱硝。但是该方法很少用于处理挥发性有机物（VOCs）废气，主要原因是大多数常用VOCs难溶于水，在湿法洗涤过程中存在很大的气-液传质阻力。在本项目实施过程中，我们用分散在水中多孔石墨化炭（PGCs）强化VOCs传质，并耦合非均相高级氧化工艺（AOPs），实现有机废气高效净化。多孔石墨化炭对有机物具有强亲和力，可以快速捕获溶解到水中的VOCs，降低其在水中的浓度，从而促进气相中的VOCs向水中转移。AOPs产生强氧化性自由基，可以氧化降解各种有机物，包括难降解的氯代挥发性有机物（CVOCs）。但是，自由基的寿命极短，难以长距离扩散，因此，仅能在其产生的位点附近与有机物反应。将催化剂分散在PGCs上，形成吸附-催化双功能材料，有效的克服了这一缺陷。因VOCs在PGCs上吸附富集，能迅速消耗催化位点上产生自由基，显著提高了自由基的利用效率。开发了KOH和Ni、Co和Ni等金属催化剂联合处理的方法，成功的将活性炭、生物质、生物焦、无烟煤及合成高分子材料等碳源前体物转化成了PGCs。制备过程中，熔融KOH起到了溶剂作用，分散了催化剂，并分隔了生成的石墨烯片，最终产物含有少层石墨烯结构，薄片之间异质堆叠形成微孔-介孔复合结构，比表面积大于1000 m2/g。在湿法洗涤过程中，与微孔活性炭相比，介孔显著促进了VOCs的颗粒内扩散，洗涤系统效率与介孔体积正相关。合成了一系列PGCs负载的纳米Fe基催化剂或其他催化剂。尤其是FeOCl/PGC催化剂在H2O2存在的情况下，表面的Fe2+/Fe3+高效循环，可以连续活化H2O2生成羟基自由基，实现二氯乙烷、二氯乙烷、三氯乙烯及氯苯等难降解CVOCs的湿法洗涤。在及时补充氧化剂的情况下，湿法洗涤工艺可以长时间高效去除空气中的VOCs。此外，PGCs具有较强的疏水性，在高湿度条件下对VOCs仍有很高的吸附选择性，可以作为有机废气气相吸附的替代吸附剂。通过进一步深入的研究，PGCs及湿法洗涤有望成为具有成本效益的废气治理新材料和新技术。