印刷行业中VOCs光催化氧化技术的运用

＊张红生

（郑州启晨装潢包装科技有限责任公司 河南 450000）

挥发性有机化合物简称VOCs，实际上指的就是沸点在500～260℃之间，在室温下饱和蒸气压超过133.3Pa的易挥发有机性质化合物，主要包括醛类、酮类、烃类等。VOCs常用的处理方法有吸附冷凝电、油膜分离、光催化氧化、生物处理技术等，而光催化氧化处理技术由于其处理效率高、能耗小且无二次污染等一系列特点近些年来在VOCs中的应用变得越来越多。VOCs实际上指的就是在常温常压下拥有强烈挥发性的各类化学有机化合物的总称，其成分可以引发人体产生各种疾病，此外还会对生态环境造成一定程度的破坏。这类物质在光的作用下会发生化学和物理反应进而产生二次污染物臭氧以及PM2.5对人类身体以及生态环境造成更大的破坏，是导致空气污染的主要因素之一。

1.光催化氧化技术概述

光催化氧化技术在应用的过程当中所采用的工作原理为利用特别制作的高能高臭氧UV紫外线光束对含有特定组分的废气进行一段时间的照射，进而使工业废气当中一些对人类躯体或大气环境造成破坏的物质产生裂解反应，使无机或有机高分子化合物分子链在高能紫外线光束下降解为低分子化合物，如二氧化碳、水等。紫外线光束拥有极其庞大的能量，当经过一段时间的照射之后可以使位于空气中的氧分子发生分解反应，产生游离氧，也就是活性氧。而活性氧携带的正负电子处于不平衡的状态当中，因此在其运动的过程当中会和空气中的氧气分子产生化学反应结合到一起，从而生成臭氧。臭氧这种物质是一种氧化效果极强的氧化物，将该种物质与有机物混合在一起可以促使有机物产生氧化反应。当工业生产活动进行中产生的废气通过排风装置输入到特定的净化设备之后，净化设备将使用高能UV紫外线光束以及臭氧等对工业废气进行协同分解氧化反应。通过分解氧化反应的正常进行可以使工业废气产生降解，进一步转化为低分子化合物、水以及二氧化碳，然后这些物质将会变成喷雾通过排风管道排出到室外。就一般情况而言，光催化反应需要光速与反应物质进行密切接触后才能得以进行，因此这种类型的反应一般会在催化剂的表面进行。通过半导体光催化剂作用的正常发挥对特定波长的光强产生反应并且通过光子中蕴含的能量对还原反应以及氧化反应进行合理的改变。经过长时间的发展，当前光催化氧化剂已经出现了多种类型，其中二氧化钛在实际应用中由于其出色的性能取得了非常广泛的应用。当通过二氧化钛对光进行催化时这种物质会接受来自特定波长的光子，并且对其进行吸收，进而产生带有负电荷的光子，然后与吸附在该种催化剂表面的物质产生强烈的化学反应。

2.光催化氧化反应在降解VOCs废气中存在的难点及对策

（1）VOCs废气的传输。在VOCs处理工作实际进行的过程当中，如何才能采取有效的措施将污染物输送到光催化剂的表面是降解工作在进行中需要解决的一个重点问题。否则将会使后续的气体处理工作无法进行下去，对于室内气体来说尤其如此。由于污染源点太多，因此人们很难对污染源进行准确判断。很多对室内空气进行光催化处理的装置都是根据空气的强制流动来进行的，具体而言其指的就是通过各种类型的鼓风机将被VOCs污染的空气输送到光催化剂的表面。而大气治理工作在实际开展时考虑到实际情况采用的一般是固定床反应器少部分利用了硫化床反应器。这些固定床反应器利用涂布膜反应，围绕在涂布膜反应器中的光催化剂为了增强其与废气的接触面积可以采用蜂窝结构体、折叠纤维状等。反应器的结构之所以设计成这样的形式，最根本的目的是为了涂层表面能够在反应进行中获取足够强的光照，有效降低污染物输送工作的实际开展难度，让光催化剂与污染点源的距离变得更近。

（2）污染物的吸附。为了有效保障污染物降解效率，有必要采取一定的方式方法使得一些具有强烈挥发性的有机物吸附在光催化剂表面。对于一些已经融入到水体中的污染物来说，要想将污染物吸附到光催化剂表面非常困难。幸运的是已经有研究发现通过一定的方式对二氧化钛表面酸度进行改变可以全面提高吸气体的吸附效果，从而保障光催化效率。一般而言，气体的吸附效果可以通过特定材质复合材料的有效使用得到解决。首先通过一定的技术手段将光吸附到复合材料当中，然后再将其拓展到光催化剂上。常用的吸附材料有活性炭、合成纤维、碳纳米管等。通过这些材料的有效应用可以全面提高光催化作用。

（3）光催化反应的接触时间。对于一些提前设计好的装置很难保证光催化的接触时间。之所以产生这样的问题，最大的因素是不同位置的污染物浓度有所区别。要想合理控制接触时间就应当采取有效方式将光催化单元设置到主供气管路的旁路上，通过不断的实验最终确定气体被照射的时间。

（4）湿度对光催化的影响。水分子对于光催化工作有着非常重要的意义，不但会参加到吸附当中，同时通过水分子的作用还可以为反应提供OH自由基。因此通过合理的技术手段对反应气体的湿度进行合理改变可以有效提高光催化效率。经过大量研究表明，在甲苯和丙醇降解工作进行中，这种涂层可以全面降低光催化剂对湿度的依赖，例如三氯乙烯的降解过程。

（5）光催化剂的失活。光媒介在使用中由于种种因素的影响产生失活效应是光催化氧化技术在应用中遇到的几大问题之一。需要知道的一点是光催化反应在实际进行中产生的反应要比实验室模拟环境复杂的多，因此要想对光催化的活性问题进行解决，需要经历的时间相对较长。就一般情况而言，苯及其他芳香族化合物会导致催化剂失去活性，为了全面减少硅化合物对催化剂活性产生的不良影响，可以在催化反应进行的过程当中加入一些能够分解硅化合物的掺杂剂，也可以添加二氧化钛晶体，从而全面防止硅氧烷在反应的过程当中吸附到催化剂上的问题。除此之外还发现一种阻止VSCCs钝化的方法。具体而言，通过一个有效的系统在VSCCs到达催化剂之前对其进行氧化。该套装置主要包括吸附过滤器、加热过滤器的热源、等离子装置等。首先在该套装置应用的过程当中，需要将VSCCs吸附到过滤器上，在加热器关闭的情况下，打开紫外光催化系统。经历一段时间之后对紫外光灯源进行关闭并且打开加热器，从而对过滤器进行有效加热有效分解VSCCs。这时等离子体源已经处于接通的状态当中，通过这样的方式可以将VSCCs氧化为二氧化硅等离子体并且沉积到偏置电极上。

（6）提高光子的利用率。当前已经有多种方式可以有效优化光子效应，具体可以分为两大类型：第一大类型是通过一定的方法全面提高光子被转化为电荷的概率；第二大类型是想方设法充分减小那些不被吸收又无法到达催化剂表面的光子数目。

首先对第一类方法进行探讨，要想全面提高光子转化为电荷的效率，就要在催化工作进行中想方设法防止电子空穴产生负荷反应，而要想做到这一点，就要通过被吸附的氧气来完成；第二类方法在应用的过程当中，主要是通过提高电荷分离所进行的，这种分离装置在应用中主要由接近光催化剂的电子穴组成，重组是一个二阶过程，和电子的浓度有着非常密切的联系。而羟基的形成则是一阶过程，当光子通量增加时，量子效率将会进一步下降。

3.光催化氧化技术在包装纸箱印刷中的应用

表1 有组织源排放参考限值

VOCs是形成细颗粒物PM2.5以及臭氧的前体物。这种物质在大气中的含量会对气候变化产生一定程度的影响。就一般情况而言，工业生产进行的过程当中或多或少会产生一定量的VOCs，除此之外，一些生产设备中存在的一些缝隙或者是开口也存在一定量的VOCs，这些VOCs会泄露到空气当中并且和空气融为一体。经过多年的发展当前我国已经有多种技术手段对大气中的颗粒物二氧化硫、氮氧化物等含量进行控制。然而由于种种因素的影响，我国当前依然缺乏技术手段对空气中的VOCs进行有效管理，而这一问题的存在也成为了我国大气环境管理工作在进行过程中最大的短板。通过对京津冀及其周边地区空气污染物的含量检测发现当前有机物是导致PM2.5的罪魁祸首，而有机物OM中二次有机物占据的比例高达30%～50%，这些二次有机物大部分都是由VOCs经过光束照射后转换而来的。

同时空气中的VOCs也是臭氧形成的主要因素。VOCs对环境造成的破坏变得越来越大，为了保障人民的幸福生活，生态环境部已经展开了积极行动，并且出台了《涂料、油墨及胶粘剂工业大气污染物排放标准》（GB37824-2019）及《挥发性有机物无组织排放控制标准》（GB37822-2019），山西省出台了《山西省重点行业挥发性有机物（VOCs）2017年专项治理方案》，包装印刷排放标准排放的具体标准如表1所示。

就一般情况而言，包装纸箱印刷行业在其生产活动进行的过程当中经常会用到油墨这一生产原料，而油墨在应用中需要通过醇、芳烃等一系列挥发物质作为溶剂或者是稀释剂，从而使其使用更为方便。在使用时作为溶剂的VOCs的一部分将会通过气化作用进入到空气当中，为了全面防止VOCs对大气环境带来破坏我国出台了一系列有效的政策鼓励各大企业寻找VOCs的代替物，例如可以通过使用水性、植物基等低VOCs含量的油墨，从而从源头遏制VOCs的产生。但是这些措施的大力推行并不能完全消除VOCs的排放，山西省太原市清徐县某包装纸箱印刷企业主要的生产任务是生产食品用包装纸箱，在其外购的三层瓦楞纸板上印刷包装产品的相关文字及图案。当印刷工作完成且干燥之后，会将瓦楞纸箱拆解成客户需要的规格。为了全面满足国家对生态环境保护的要求，该企业对油墨进行了更新换代，使用水性油墨进行相关的印刷生产活动。这里所说的水性油墨实际上指的就是通过水并且向水体当中加入少量的乙醇将其作为稀释剂，通过苯乙烯丙烯酸酯类的水溶性树脂作为连接并且向其中加入适当的颜料或者是助剂。该企业使用的水性油墨成分包括25%的苯乙烯丙甲酸树脂、30%的水、10%的乙醇、20%的原料、10%的三乙胺、5%的消泡剂以及其他助剂。而生产设备则是2400型水墨印刷成型机。油墨为水性油墨，印刷工作进行的过程当中考虑到实际情况采用的是柔版进行印刷。而在印刷时苯乙烯丙甲酸树脂会散发出大量的气味，而乙醇和三乙胺则会散发出VOCs。

因此要想有效响应国家提出的环保要求，在包装印刷工作进行的过程当中企业应当采取有效的处理设备对产生的VOCs进行有效处理。由于该厂的印刷油墨质量进行了一定的改进，并且溶剂成分发生了极大的变化。因此该厂在利用水性油墨进行出版印刷工作时排放的VOCs浓度已经得到了大幅度的降低，经过测定发现数值在每平方米50～400mg之间。该企业为了进一步降低VOCs的排放量，通过一定的设备对VOCs进行了全面的收集。具体而言，该企业在印刷滚筒的上方设置了密闭的机器，通过该机器将挥发到空气当中的有机废气进行有效收集，并且使这些废气进入到处理设施当中，当VOCs处理工作完毕之后，为了保障处理效果将处理后的气体通过15m长的排气筒进行排放工作。为了有效保障处理工作实际开展效果，防止异味散发到空气当中，在光催化氧化反应完成之后加入了活性炭对异味进行有效吸附，最终证明这些处理方式的有效实施可以有效保障VOCs的净化效率高达90%以上。不同排放浓度的VOCs处理方法亦有所区别，光催化氧化技术在应用的过程当中通常需要结合活性炭吸附技术，这种处理方式一般被人们应用于低浓度有机废气及恶臭气味的处理工作当中。

经过大量实践表明，这种处理方法可以有效保障处理工作的进行，并且使最终排放出的气体能够以全面满足国家所提出的严格要求，同时整个处理设施的工程造价相对较低，在企业可接受的范围之内。

4.结束语

VOCs光催化氧化技术由于其实际应用特点一般被人们用于低浓度有机废气的处理工作当中。经过大量实践表明，企业所产生的有机废气浓度较低，通过该种技术的应用依然可以有效保障废气处理效果。通过该项技术对废气进行处理之后，废气浓度可以降低到1mg/m3以下。对于企业来说，在应用环保措施的过程当中，除了要考虑到环保设施本身的应用效果之外，还要对其是否经济合理进行充分考虑。而光催化氧化技术在使用的过程当中不但可以有效地保障低浓度有机废气的处理效果，而且反应条件温和容易控制，只需要企业投入极低的成本便可以有效保障处理效果。操作也比较简单，只需要对相关工作人员进行简单的培训就可以上手。由于这些优势的存在，该项处理技术在在大气污染防治工作当中取得了非常广泛的应用。综合文章上面所描述的内容，将光催化氧化技术与活性炭吸附技术有机地结合起来对有机废气进行处理可以全面保障处理效果，且需要的投资小处理效果稳定，所以可以将该项技术应用于VOCs油墨印刷。