淮亞利
安科瑞電氣股份有限公司 上海 嘉定 201801；
摘 要：烹飪排放是環(huán)境揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)的來(lái)源之一，嚴(yán)重威脅著環(huán)境空氣質(zhì)量和人類健康。結(jié)合餐飲油煙VOCs的組成特征，總結(jié)近幾年餐飲油煙VOCs凈化技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其難點(diǎn)，同時(shí)闡述了油煙VOCs凈化組合工藝的優(yōu)勢(shì)和必要性。針對(duì)現(xiàn)有問(wèn)題對(duì)油煙VOCs凈化組合工藝的發(fā)展做出了展望。
關(guān)鍵詞：餐飲油煙；組成特征；凈化技術(shù)；餐飲油煙監(jiān)測(cè)云平臺(tái)；安科瑞
0.前言
隨著我國(guó)餐飲行業(yè)的快速發(fā)展，餐飲油煙污染已成為城市大氣污染的重要來(lái)源之一。餐飲場(chǎng)所主要分布在人口稠密的商業(yè)區(qū)和居民區(qū)，在烹飪過(guò)程中產(chǎn)生的油煙污染物具有數(shù)多、覆蓋面廣、污染源分散、污染不易擴(kuò)散等特點(diǎn)，對(duì)城市大氣污染的貢獻(xiàn)僅次于機(jī)動(dòng)車污染源和工業(yè)源。此外，居民針對(duì)烹飪油煙刺激性氣味的投訴越來(lái)越多。據(jù)相關(guān)調(diào)查，對(duì)餐飲油煙污染的投訴占所有環(huán)境投訴的30%-40%，引起了有關(guān)部門的極大關(guān)注。
中國(guó)的烹飪風(fēng)格以油炸、燒烤、蒸煮和爆炒為主，與西方單一的烹飪方式相比，更容易產(chǎn)生大量的油煙。目前我國(guó)使用的油煙機(jī)，只能通過(guò)機(jī)械作用去除大顆粒的油滴，而顆粒物和VOCs則通過(guò)管道轉(zhuǎn)移到室外，并未進(jìn)行有效處理。餐飲油煙的成分復(fù)雜并包含較多有毒物質(zhì)，這些混合物若通過(guò)無(wú)組織排放，在大氣環(huán)境中逐漸積累，短期內(nèi)會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量和人類健康有顯著影響。因此，亟需發(fā)展綠色高效的凈化技術(shù)對(duì)餐飲油煙污染進(jìn)行控制。本文針對(duì)餐飲油煙污染處理難題，結(jié)合餐飲油煙VOCs的組成特征，總結(jié)油煙VOCs凈化技術(shù)研究進(jìn)展及其難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題，為進(jìn)一步研究油煙VOCs凈化提供參考和思路。
1 油煙VOCs的形成、組成特征及危害
1.1 油煙VOCs的形成
烹飪油煙是指食物在高溫烹制過(guò)程中與食用油反應(yīng)，生成各種脂質(zhì)熱氧化和分解的混合
物，主要包括固態(tài)顆粒物和氣態(tài)污染物。油煙的形成主要有三個(gè)階段：當(dāng)加熱溫度為50℃–100℃時(shí)，油脂中所含低沸點(diǎn)物質(zhì)和水分發(fā)生汽化，小分子物質(zhì)散發(fā)；溫度為 100℃–260℃時(shí)，食用油所含沸點(diǎn)較高的物質(zhì)發(fā)生汽化并分解，形成小油滴(>10 μm)；加熱到 260℃以上，高沸點(diǎn)物質(zhì)急劇汽化，形成大量細(xì)顆粒物(0.1–10 μm)。當(dāng)各階段產(chǎn)生的混合氣體在上升過(guò)程中與空氣發(fā)生碰撞，溫度迅速下降，形成含冷凝物的氣溶膠，各種混合物散逸至大氣中。
1.2 油煙VOCs組成特征
餐飲油煙VOCs的化學(xué)成分較為復(fù)雜，其化學(xué)特性因烹飪風(fēng)格、烹飪?cè)?、加熱溫度等不同而有很大差異。何萬(wàn)清等[10]以菜籽油為例，對(duì)在不同溫度下加熱產(chǎn)生的油煙VOCs組分進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 1 所示。當(dāng)加熱溫度從130℃上升到260℃時(shí)，葵花籽油排放的VOCs的種類和濃度水平都呈上升趨勢(shì)。其中，烷烴和醛酮類化合物隨著溫度的升高而升高，且濃度變化范圍較大。
圖 1 葵花籽油在不同溫度下的 VOCs 排放濃度
zhang 等測(cè)定同一溫度(270℃)下，五種食用油油煙 VOCs 排放種類及濃度。實(shí)驗(yàn)得到，五種食用油 VOCs 的排放濃度依次為：菜籽油(81.0 mg/m3)>大豆油(75.5 mg/m3)>花生(70.9 mg/m3)>玉米油(60.3 mg/m3)>豬油(20.5 mg/m3)，這表明富含不飽和脂肪
酸的植物油在270℃下比富含飽和脂肪酸的豬油排放更多VOCs。黃永?？疾煸?60℃時(shí)，大豆油、花生油和調(diào)和油三種食用油非甲烷總烴(Non-methane hydrocarbons，NMHCs)、醛類和苯系物的排放濃度。實(shí)驗(yàn)得出，大豆油加熱產(chǎn)生的油煙中 NMHCs的濃度(31588.33 ppm)明顯高于其他兩種食用油，但三種食用油排放的醛酮類和苯系物濃度水平相當(dāng)。相比之下，大豆油在高溫狀態(tài)下產(chǎn)生的 VOCs 濃度(31995.37 ppm)最高，而花生油和調(diào)和油的VOCs 排放濃度相當(dāng)。綜上所述，烹飪油煙 VOCs 的化學(xué)成分主要包括烴類、醛酮、醇類及其他雜環(huán)化合物。不同食用油在高溫狀態(tài)下排放的 VOCs 種類和濃度都不相同，其中富含不飽和脂肪酸的植物油產(chǎn)生的油煙VOCs濃度最高。
為了解不同類型餐飲源對(duì) VOCs 排放的種類和濃度水平的影響，圖 2 對(duì)比了不同菜系油煙 VOCs 濃度水平和種類。Huang 等重點(diǎn)研究上海五種類型餐館(火鍋、川菜、粵菜、西餐和正宗上海菜)VOCs 的排放特性。研究發(fā)現(xiàn)，火鍋在室內(nèi)排放油煙產(chǎn)生的VOCs質(zhì)量濃度最高(1.90 mg/m3)，其次是川菜(1.41 mg/m3)、西餐(0.66 mg/m3)、粵菜(0.63 mg/m3
)和上海菜(0.61 mg/m3)。烷烴是五種菜系的主要 VOC 污染物，所占比例為 34.4%~71.7%。崔彤等研究北京 5 家不同菜系(燒烤類、中餐、西餐、川菜和浙菜)油煙 VOCs 的排放特征。結(jié)果顯示，5 種菜系油煙 VOCs 的排放濃度從高到低依次為：燒烤類(12.22 mg/m3)>中餐(4.28 mg/m3)>西餐(5.79 mg/m3)>川菜(5.45 mg/m3)>浙菜(3.93 mg/m3)。燒烤類與非燒烤類菜系油煙排放的污染物種類有顯著差別。燒烤類 VOCs 排放主要是以烴類化合物為主，占所有組分的 89.65% 。非燒烤類菜系的烹飪排放中，烷烴和醛類是主要污染物。徐敏等[以北京烤鴨作為研究對(duì)象，通過(guò)氣相色譜–質(zhì)譜聯(lián)用儀分析，共檢測(cè)出 58 種 VOCs。其中醛酮類和脂類等碳鏈較短的化合物含量較高，C1-C3 物質(zhì)所占比例 72.27%。同時(shí)指出，由于烤鴨烤制溫度較高，使大分子物質(zhì)分解為小分子物質(zhì)，與烹飪油煙產(chǎn)生的有機(jī)物濃度大不相同，因此不具有明顯的線性相關(guān)。
圖 2 不同餐飲源 VOCs 排放濃度
1.3 油煙的危害
1.3.1 環(huán)境效應(yīng)
餐飲油煙的排放對(duì)空氣質(zhì)量和人類健康都有顯著影響，其具體環(huán)境效應(yīng)和健康風(fēng)險(xiǎn)如圖
3 所示。烹飪產(chǎn)生的 PM2.5等細(xì)顆粒物是城市環(huán)境霧霾污染和室內(nèi)污染的重要貢獻(xiàn)者。有研究表明，與西方烹飪風(fēng)格相比，中國(guó)烹飪風(fēng)格所產(chǎn)生的 PM2.5 含量較高?；钚?VOCs 能促進(jìn)大氣中的羥基自由基、臭氧和二次有機(jī)氣溶膠(secondary organic aerosol，SOA)的形成，
導(dǎo)致光化學(xué)煙霧事件并加快二次顆粒物的生成，對(duì)城市和區(qū)域環(huán)境質(zhì)量影響較大究表示，烹飪會(huì)釋放出 SOA 前體，例如烯烴(
汽車尾氣具有相同的 SOA 排放產(chǎn)量。
1.3.2 毒理學(xué)效應(yīng)
烹飪排放的污染物包含多種有毒化合物，研究表明，這些化合物對(duì)人體產(chǎn)生肺毒性、免疫毒性、遺傳毒性和潛在致癌性等。Lu等設(shè)計(jì)十一種烹飪菜肴研究中國(guó)家庭烹飪呼吸區(qū)PM2.5 的排放及對(duì)人體健康的影響。結(jié)果表明，烹飪的直接呼吸區(qū) PM2.5 平均濃度接近0.60mg/m3，比中國(guó)國(guó)家室外空氣標(biāo)準(zhǔn)(GB3095-2012，0.075 mg/m3)高約8倍，可導(dǎo)致較高的人類健康風(fēng)險(xiǎn)。油煙污染的潛在健康風(fēng)險(xiǎn)往往會(huì)影響到長(zhǎng)期烹飪的人。劉占琴等觀察大鼠吸入1ppm的油煙對(duì)肺部的影響。結(jié)果顯示，染毒24h后，巨噬細(xì)胞有明顯減少，乳酸脫氫酶等物質(zhì)含量增多，產(chǎn)生急性炎癥，對(duì)肺組織和機(jī)體造成損傷。實(shí)驗(yàn)和調(diào)查發(fā)現(xiàn)，烹飪被認(rèn)為是非吸煙亞洲婦女患有肺癌有關(guān)的主要因素之一，相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)為 1.4-3.8。同時(shí)，油煙顆粒黏附在皮膚上會(huì)加速皮膚組織老化，生成皺紋，色斑等。
圖 3 餐飲油煙 VOCs 的環(huán)境效應(yīng)與健康風(fēng)險(xiǎn)示意圖
2 油煙 VOCs 凈化技術(shù)
餐飲油煙的凈化主要是針對(duì) VOCs 廢氣的處理。VOCs 控制技術(shù)分為回收技術(shù)和破壞性技術(shù)?；厥占夹g(shù)是對(duì)污染物進(jìn)行物理處理，主要包括吸附法、吸收法等；破壞性技術(shù)是用化學(xué)方法將VOCs氧化分解為CO2 和 H2O 等無(wú)污染的物質(zhì)，主要包括催化燃燒法、低溫等離子體法等。兩種控制技術(shù)的工作原理和性能對(duì)比如表 1。
表 1 油煙 VOCs 凈化技術(shù)工作原理與性能對(duì)比
2.1 回收技術(shù)
2.1.1 吸附法
吸附法的基礎(chǔ)是多孔性材料選擇性的從油煙廢氣中吸收一種或多種 VOCs。根據(jù)吸附劑的性質(zhì)不同，一般可分為無(wú)機(jī)吸附劑、有機(jī)吸附劑以及無(wú)機(jī)-有機(jī)混合吸附劑。表2對(duì)比
了用于VOCs處理的吸附劑性能和工作條件。
表 2 吸附劑的工作條件和吸附能力對(duì)比
劉超等考察用碳化法制備的油茶果殼炭吸附劑對(duì)油煙的吸附性能。結(jié)果顯示，油茶果殼炭達(dá)到吸附容量(122.6 mg/g)的*條件為：油煙進(jìn)口濃度為 50 mg/m3，體積空速 1.7/h，吸附劑床層高度為 40cm。魏玉濱等利用負(fù)載MnO2的蜂窩活性炭與臭氧協(xié)同作用考察其對(duì)油煙VOCs 特征污染物乙醇的吸附性能。負(fù)載 MnO2活性炭對(duì)乙醇具有明顯的吸附緩沖性能和催化氧化分解的作用。在反應(yīng)時(shí)間<150 min="">150 min，吸附劑性能下降，最終去除率維持在 30% -40%。Lee等將椰子殼活性炭(GAC)表面進(jìn)行酸和堿改性，探究經(jīng)過(guò)酸或堿處理后的 GAC 對(duì)鄰二甲苯的吸附性能。結(jié)果表明，在鄰二甲苯濃度為 393-504 mg/m3，吸附停留 16.8 s 的條件下，經(jīng)過(guò)堿處理的GAC 吸附容量(305.7 mg/g)，與酸處理后的GAC相比，堿處理后的GAC表面接受量增加26.5%。Cosseron 等用水熱法分別合成硅石-1 沸石、SSZ-23 沸石、CHA 型沸石和 BEA 型沸石四種吸附劑，在三種不同的溫度 25、75 和 150℃下，分別考察其動(dòng)態(tài)吸附丙酮能力。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，在25℃時(shí)，四種吸附劑的吸附能力，依次為：BEA 型沸石(141.1 mg/g)> CHA 型沸石(124.9 mg/g)>硅石-1 沸石(105.7 mg/g)>SSZ-23 沸石(5.81 mg/g)。
吸附法被較多應(yīng)用于VOCs 的分離和回收/銷毀，但吸附劑利用率較低，設(shè)備維護(hù)成本較高，對(duì)于吸附油煙 VOCs 的應(yīng)用案例較少。因此，選擇合適的吸附劑對(duì)有效吸附油煙 VOCs至關(guān)重要。一種理想的去除VOCs的吸附劑應(yīng)具有：高吸附容量、熱穩(wěn)定性強(qiáng)以及高疏水性等優(yōu)良性質(zhì)。既保證了循環(huán)吸附再生的使用，同時(shí)克服常見(jiàn)的水蒸氣的競(jìng)爭(zhēng)性吸附。
2.1.2吸收法
吸收法的凈化效果往往跟吸收液的選擇和吸收設(shè)備有關(guān)。肖瀟采用鼓泡吸收的方式，考察合適配比的氟碳微乳液吸收劑對(duì)甲苯的吸收性能。當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間<1500 min，甲苯濃度<4000 mg/m3，處理容量為 1-2 m3/(kg·h)時(shí)，甲苯的凈化率大于 90%。楊驥等用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1%的 NaOH 與 1%洗滌劑的混合液為吸收液，測(cè)定其對(duì)油煙的凈化率。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)吸收塔填料高度為 5-6 cm，淋洗量為300ml/min 時(shí)，凈化效率達(dá)到 80%以上。但連續(xù)使用 3d，每天使用 1h 后，吸收液會(huì)出現(xiàn)渾濁、絮凝的現(xiàn)象。
為進(jìn)一步提高吸收效率，研究人員也進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，嘗試開(kāi)發(fā)新型吸收設(shè)備，其中超重力旋轉(zhuǎn)填料床是目前較為典型的一種新型吸收技術(shù)。劉海弟[36]等用不同種類的吸收液，研究旋轉(zhuǎn)填料床對(duì)油煙的吸收性能。結(jié)果表明，當(dāng)以0.2%的(CTAB)水溶液為吸收液，旋轉(zhuǎn)床轉(zhuǎn)速為 900-1000 r/min 時(shí)，油煙凈化效率接近 80%，同時(shí)也有效證明了超重力技術(shù)可以顯著提高氣體在介質(zhì)中的傳質(zhì)速率。張秀東研究超重力油煙凈化設(shè)備的凈化效率并考察不同濃度的堿性吸收液的吸收性能。結(jié)果表明，當(dāng)堿性溶液濃度為5%時(shí)，在超重力因子β為257，氣液比為600的條件下，油煙凈化率能達(dá)到92%。
吸收法凈化效率較高，并可回收利用廢氣中的有用物質(zhì)。但吸收設(shè)備占地面積大，且吸收廢液的處理并沒(méi)有規(guī)范合理的方法，易產(chǎn)生二次污染，在油煙凈化行業(yè)也未大力推行。
2.2 破壞技術(shù)
2.2.1生物降解法
生物降解法是涉及氣、液、固三相及生化降解的過(guò)程，影響因素較多，國(guó)內(nèi)主要集中在優(yōu)勢(shì)高效菌種的篩選、填料性質(zhì)的研究及工藝的研究等，但其相關(guān)研究和實(shí)際應(yīng)用還并不多。在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上，馬紅妍利用生物降解法，從被油煙長(zhǎng)期污染的土壤中篩選出混合菌株作為掛膜微生物，選用玉米芯為填料進(jìn)行油煙凈化實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，在保證降解率和排放濃度兩項(xiàng)指標(biāo)的前提下，油煙廢氣進(jìn)氣濃度低于40.0 mg/m3 時(shí)，出氣濃度可達(dá)到 0mg/m3，此時(shí)油煙廢氣去除率保持在90%以上。廖雷等通過(guò)活性污泥馴化，對(duì)烹飪煙霧中污染物的生物降解性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在進(jìn)氣口溫度為 50-70℃，油煙濃度低于33mg/L時(shí)，凈化率為80%以上。
劉超等利用馴化成熟的活性污泥進(jìn)行油煙生物降解的研究。結(jié)果顯示，初始階段36h內(nèi)液相油煙濃度由32.11 mg/L 迅速降至14.45 mg/L，比降解速率為0.001699 h-1，降解率可維持在80%以上。然而隨著降解時(shí)間的增加，比降解速率逐漸減小至0.000447 h-1，說(shuō)明油煙濃度過(guò)低時(shí)，不足以提供微生物營(yíng)養(yǎng)，導(dǎo)致降解速率降低。
生物降解法設(shè)備簡(jiǎn)單，油煙凈化效率較高。但易受溫度、進(jìn)氣流量等影響，降解效率下
降。目前，也尚未在油煙凈化行業(yè)較多應(yīng)用。
2.2.2催化燃燒法
近年來(lái)，大量研究集中于通過(guò)催化氧化對(duì)揮發(fā)性有機(jī)化合物進(jìn)行降解。一般來(lái)說(shuō)，在這些過(guò)程中使用的兩種基本類型的催化劑：負(fù)載貴金屬催化劑和過(guò)渡金屬氧化物。貴金屬基催化劑有 Pt、Pd、Au 等，由于其*的活性和易于再生而得到研究。然而，其應(yīng)用受到高成本、熱穩(wěn)定性差等限制。近年來(lái)，過(guò)渡金屬氧化物催化劑由 Cu、Co、Ce 等元素組成。因具有較高的催化活性和良好的熱穩(wěn)定性，被認(rèn)為是貴金屬催化劑的合適替代品。表 3總結(jié)了近年來(lái)用于催化降解油煙VOCs的金屬催化劑。
表 3 不同金屬催化劑的油煙凈化率
近年來(lái)，對(duì)于負(fù)載型金屬催化劑的研究越來(lái)越多。金屬載體的負(fù)載方式和種類不同都會(huì)對(duì)催化劑的穩(wěn)定性和活性產(chǎn)生影響?？络鞯炔捎玫润w積浸漬法，在γ-Al2O3 材料上負(fù)載不同含量的CuO 制備了一系列CuO/γ-Al2O3 催化劑并考察其對(duì)對(duì)油煙催化性能。結(jié)果顯示，當(dāng)催化劑載體負(fù)載20%的氧化銅，氣體流量為5 L/min，催化溫度 350℃時(shí)，對(duì)油煙廢氣凈化率可達(dá)88.6%。而邱晉卿以γ-Al2O3 為載體制備 La0.8Sr (0.2) MnO3/γ-Al2O3 催化劑并利用自制的油煙裝置測(cè)試其催化效果。當(dāng) La0.8Sr (0.2) MnO3 的負(fù)載量為 20%，催化溫度為250℃時(shí)，油煙凈化效率達(dá)97.3%。
金屬載體的負(fù)載量和促進(jìn)劑的添加也會(huì)對(duì)催化劑的穩(wěn)定性和活性產(chǎn)生影響。左樂(lè)[以γ-Al2O3 為載體，制備一系列負(fù)載量不同的La0.8Ce0.2CoO3/γ-Al2O3 催化劑。負(fù)載量為30%的La0.8Ce0.2CoO3/γ-Al2O3 催化劑在催化溫度為 300℃時(shí)，油煙廢氣的凈化高為 88%，但對(duì)于苯系物質(zhì)并不能*降解。王建以摻雜不同 Mn 含量(0~40%)的 Ce0.5–xZr0.5–xMn2xO2為載體，制備一系列新型催化劑并測(cè)試其對(duì)烹飪油煙的催化效果。結(jié)果表明，當(dāng) Mn 含量20%(X=0.1)時(shí)制備的 Pt/γ-Al2O3/Ce0.4Zr0.4Mn0.2O2催化劑催化性能較好，油煙*轉(zhuǎn)化溫度僅為222℃。Yang 等以 Al2O3 為載體，MnO2/CuO為原料，研制了一種新型催化劑并測(cè)試其對(duì)油煙的凈化效果。實(shí)驗(yàn)表明，催化劑 MnO2/CuOAl2O3與油煙廢氣接觸時(shí)間小于1s，可以礦化大多數(shù)有機(jī)物。當(dāng)接觸時(shí)間延長(zhǎng)至 3.18 s，可以在 200℃的低溫下實(shí)現(xiàn)96%的凈化效率。催化燃燒法是目前控制末端 VOC 排放的最有前途的方法之一。催化燃燒法可以有效處理中、低濃度的VOCs，在相對(duì)較低的溫度下實(shí)現(xiàn) VOCs 的分解，減少二次污染。因此，對(duì)于催化劑的設(shè)計(jì)和制備的研究仍是當(dāng)下的熱點(diǎn)問(wèn)題。
2.2.3低溫等離子體技術(shù)
低溫等離子體已被報(bào)道為一種非常有效的VOCs分解方法，它可在短停留時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高電子能量，使VOCs化學(xué)鍵斷裂，達(dá)到凈化效果。常用于VOCs降解的低溫等離子體放電方式可以分為：滑動(dòng)電弧放電、電暈放電、輝光放電、介質(zhì)阻擋放電等。吳蕭等分別測(cè)定不同介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器對(duì)烹飪油煙中三種典型 VOCs的凈化率。結(jié)果表明，低溫等離子體法對(duì)鹵代烴降解效果較好，而芳香烴相對(duì)較難；無(wú)論工藝條件如何，與單介質(zhì)反應(yīng)器相比，雙介質(zhì)反應(yīng)器對(duì)三種有機(jī)物的降解效果較好。以苯為例，當(dāng)雙介質(zhì)反應(yīng)器放電功率為63.9 W，混合氣體濃度低于 696 mg/m3，氣體流速為 100 L/h 時(shí)，有機(jī)物的降解率在 90%以上。Holzer F 等以低 ppmv 濃度的 2-甲基吡嗪、壬醛、反式-2-壬烯醛等為目標(biāo)混合物，分別研究其在不同環(huán)境條件下(潮濕空氣和氧氣、氬氣混合物)低溫等離子體的氧化。結(jié)果表明，在 25 kV 電壓下，與氧氣和氬氣混合物條件相比，潮濕空氣下O3 和 CO 產(chǎn)生濃度較低，分別為2100 ppmv 和50ppmv，并且對(duì)CO2選擇性較高，轉(zhuǎn)化率可達(dá)到92%。該實(shí)驗(yàn)證明了低溫等離子技術(shù)作為降解烹飪產(chǎn)生的VOCs的潛力，提出了等離子體催化與等離子吸附的方法設(shè)想，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究提供了新思路。
低溫等離子體技術(shù)在操作方便、能耗低、氧化降解活性高等方面表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。但該技術(shù)高效處理的同時(shí)，易導(dǎo)致二次產(chǎn)物的形成、能源效率較低，甚至增加了氣體總毒性。因此，該技術(shù)仍需進(jìn)一步優(yōu)化。
2.2.4復(fù)合技術(shù)
等離子體–催化技術(shù)
等離子體–催化技術(shù)副產(chǎn)物的形成和低能量效率限制了等離子體技術(shù)的應(yīng)用。為解決該問(wèn)題，可以采用等離子體–催化技術(shù)，催化劑的加入可以有效地提高系統(tǒng)效率，特別是對(duì)于低濃度的 VOCs 降解。圖 4 為 VOCs 在等離子體–催化系統(tǒng)中可能發(fā)生的降解機(jī)理[51]。催化反應(yīng)的兩個(gè)重要模型是活 性 位 點(diǎn) ( Langmuir-Hinshelwood ) 模 型 和 氣 固 界 面 ( Eley-Rideal )模型 。Langmuir-Hinshelwood 機(jī)制是類似活動(dòng)位點(diǎn)上兩個(gè)吸附分子之間的表面反應(yīng)；Eley-Rideal機(jī)制是吸附分子和氣相分子之間的反應(yīng)[52]。放電產(chǎn)生的活性粒子和 VOCs 吸附在催化劑表面，在兩種模型下發(fā)生反應(yīng)，將 VOCs 及其中間產(chǎn)物降解，減少副產(chǎn)物生成。
圖 4 VOCs 在典型低溫等離子體?催化體系內(nèi)的降解機(jī)理
Li 等用等離子體-催化法分別用于乙醛和苯的降解。結(jié)果表明，單一的介質(zhì)阻擋放電法對(duì)乙醛和苯的去除率分別達(dá)到 62.0%和 39.1%，同時(shí)產(chǎn)生了一些毒性副產(chǎn)品和有機(jī)物中間體，如 NOx、O3 等。特別是，O3 的形成可以達(dá)到 180 ppmv 以上。而反應(yīng)器中引入 Co–OMS-2催化劑后，乙醛的去除效率可保持在 100% ，并且避免了 O3 副產(chǎn)物的形成。Y.S.Mok 等采用γ-Al2O3 顆粒填料的介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器處理氣態(tài)甲苯。研究表明，將吸附甲苯后的γ-Al2O3 顆粒填料通過(guò)反應(yīng)器，甲苯可被氧化為 CO和 CO2，并觀察到在140w高放電功率下，CO和CO2的濃度下降得更快，可用于氧化吸附甲苯的活性物質(zhì)增多。CO和CO2的排放在大約10 min 內(nèi)完成。在 10 min 中輸送到反應(yīng)器的電能約等于 84000J，計(jì)算出處理甲苯的能量產(chǎn)率可達(dá)到 41.2 J/μmol。
Yao等通過(guò)共沉淀法制備三種不同的堿改性Co-Mn 催化劑，并將其用于等離子體催化系統(tǒng)中己醛(油煙代表物)的去除。實(shí)驗(yàn)表明，將未改性的 Co-Mn 催化劑放入系統(tǒng)中，該催化劑在短時(shí)間內(nèi)(60 min)吸附己醛達(dá)到飽和。而改性后的 CoMn-Na 催化劑則在570 min后達(dá)到吸附飽和，同時(shí)將已吸附飽和的 CoMn-Na 催化劑放入等離子體反應(yīng)器中，整個(gè)系統(tǒng)在體積空速為 47700 h-1時(shí)，對(duì)己醛的去除率為99.4%，同時(shí)與其他兩種催化劑相比，Na 改性催化劑的CO2選擇性也提高了75.4%。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明了等離子體催化系統(tǒng)是去除己醛的一種高效方法，也可應(yīng)用于實(shí)際應(yīng)用。
2)低溫等離子體–光催化技術(shù)
低溫等離子體與光催化協(xié)同的復(fù)合技術(shù)目前還在進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)研究，并未產(chǎn)量化。等離子體和光催化處理相結(jié)合，可提高光催化劑表面的電子激發(fā)速率，進(jìn)一步促進(jìn)光催化劑的催化效果，同時(shí)，也有望解決次級(jí)產(chǎn)物形成的問(wèn)題。
Sun 等以活性炭纖維為載體，二氧化鈦(TiO2)為原料制備一種改性光催化劑并考其在等離子體反應(yīng)器中對(duì)甲苯的降解效果。結(jié)果表明，與單一等離子體反應(yīng)器的凈化效率相比，等離子體驅(qū)動(dòng)的光催化系統(tǒng)能顯著提高甲苯的去除效果。在放電電壓為10 kV 時(shí)，凈化效率提高 16%，達(dá)到80.91%。黃海保[58]在穩(wěn)定狀態(tài)下，向等離子體余輝區(qū)引入U(xiǎn)V、UV/TiO2和TiO2，研究同時(shí)去除甲苯和O3的效率。結(jié)果表明，引入 UV/TiO2后，對(duì)甲苯的凈化率達(dá)到 82.2%，O3 去除率為90%。與單一等離子體技術(shù)相比，甲苯和 O3的去除率分別提高了80%和 87%。低溫等離子體與光催化技術(shù)不僅有效提高了甲苯和 O3的凈化率，也證實(shí)了 O3作為活性氧的前驅(qū)體在甲苯的分解當(dāng)中起到了非常重要的作用。
3)熱催化–光催化技術(shù)
Kong 等分別測(cè)試了Pt/SrTiO3-x 催化劑在不同條件下對(duì)苯、甲苯和二甲苯的催化性能。其反應(yīng)機(jī)理如圖 5 所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)光熱催化協(xié)同氧化在可見(jiàn)光照明，溫度為±150°C 時(shí)，催化劑 Pt/SrTiO3-x 活性和穩(wěn)定性更高。在初始濃度均為 500ppm時(shí)，甲苯的礦化在反應(yīng) 2 h后可以達(dá)到95%以上，苯和二甲苯的礦化在反應(yīng)時(shí)間 4 h后也均超過(guò)95%。
圖 5 光催化 VOCs 在 Pt/SrTiO3-x 上氧化的原理圖
復(fù)合凈化法是將兩種及以上的 VOCs控制方法結(jié)合起來(lái)，以提高 VOCs去除效果，減少副產(chǎn)物的生成，提高凈化設(shè)備的凈化率和重復(fù)利用率。近年來(lái)，復(fù)合法降解 VOCs成為本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
3 安科瑞AcrelCloud3500餐飲油煙監(jiān)測(cè)云平臺(tái)
為了彌補(bǔ)現(xiàn)存餐飲行業(yè)在煙油監(jiān)測(cè)上的漏洞，同時(shí)便利監(jiān)管部門的監(jiān)察，安科瑞油煙監(jiān)測(cè)云平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生。油煙監(jiān)測(cè)模塊通過(guò)2G/4G與云端平臺(tái)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)能夠?qū)ζ髽I(yè)餐飲設(shè)備的開(kāi)機(jī)狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；實(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)率監(jiān)測(cè)，凈化效率監(jiān)測(cè)，設(shè)施停運(yùn)告警，待清洗告警，異常告警等功能；對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、等統(tǒng)計(jì)功能；較之傳統(tǒng)的靜電監(jiān)測(cè)方案，更具實(shí)效性。平臺(tái)預(yù)留與其他應(yīng)用系統(tǒng)、設(shè)備交互對(duì)接接口，具有很好的擴(kuò)展性。
3.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)
平臺(tái)GIS地圖采集餐飲油煙處理設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和油煙排放的濃度數(shù)據(jù)，自動(dòng)對(duì)超標(biāo)排放及異常企業(yè)進(jìn)行提示預(yù)警，監(jiān)管部門可迅速進(jìn)行處理，督促餐飲企業(yè)整改設(shè)備，并定期清洗、維護(hù)，實(shí)現(xiàn)減排環(huán)保，不擾民等目的?，F(xiàn)場(chǎng)安裝監(jiān)測(cè)終端，持續(xù)監(jiān)測(cè)油煙凈化器的工作狀態(tài)，包括設(shè)備運(yùn)行的電流、電壓、功率、耗電量等等，同時(shí)結(jié)合排煙口的揮發(fā)性物質(zhì)、顆粒物濃度等進(jìn)行對(duì)比分析，一旦排放超標(biāo)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出異常信號(hào)。
■ 油煙監(jiān)測(cè)設(shè)備用來(lái)監(jiān)測(cè)油煙、顆粒物、NmHc等數(shù)據(jù)
■ 凈化器和風(fēng)機(jī)配合對(duì)油煙進(jìn)行凈化處理，同時(shí)對(duì)凈化設(shè)備的電流、電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)
■ 設(shè)備通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程云端服務(wù)器
3.2平臺(tái)主要功能
(1)在線監(jiān)測(cè)
對(duì)油煙排污數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，包括油煙排放濃度，顆粒物，NmHc等數(shù)值采集監(jiān)測(cè)；同時(shí)對(duì)監(jiān)控風(fēng)機(jī)和凈化器的啟停狀態(tài)、運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
(2)告警數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)
系統(tǒng)根據(jù)采集的油煙數(shù)值大小，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的排放超標(biāo)告警；對(duì)凈化器的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，上傳凈化設(shè)備對(duì)應(yīng)的運(yùn)行、停機(jī)、故障等告警事件。
(3)數(shù)據(jù)分析
運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)分析，離線分析；告警占比、分析；歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等。
(4)隱患管理
系統(tǒng)對(duì)采集的告警數(shù)據(jù)分析，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的隱患記錄，派發(fā)、處理隱患，及時(shí)處理告警，形成閉環(huán)。
(5)統(tǒng)計(jì)分析
包括時(shí)長(zhǎng)分析、超標(biāo)分析、歷史數(shù)據(jù)、分析報(bào)告等模塊。
(6)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)
個(gè)人信息、權(quán)限維護(hù)，企業(yè)信息錄入，對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)信息錄入等。
(7)數(shù)據(jù)服務(wù)
數(shù)據(jù)采集，短信提醒，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和解析。
3.3 油煙監(jiān)測(cè)主機(jī)
油煙監(jiān)控主機(jī)是現(xiàn)場(chǎng)的管理設(shè)備，實(shí)時(shí)采集油煙濃度探測(cè)器和工況傳感器的信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器平臺(tái)。同時(shí)，對(duì)本地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)，提供人機(jī)操作界面。
具體技術(shù)參數(shù)如下：
注：雙探頭適合雙排煙通道的場(chǎng)合，每路探頭監(jiān)測(cè)1路排煙通道。
4.結(jié)論
餐飲油煙作為中國(guó)城市地區(qū)的一個(gè)大型VOCs排放源，嚴(yán)重威脅著生態(tài)環(huán)境和人體健康。因此，餐飲油煙VOCs凈化技術(shù)仍迫切需要深入的研究。
1)本文綜述了餐飲油煙VOCs的排放特征。結(jié)果表明，不同烹飪風(fēng)格和烹飪?cè)蠒?huì)導(dǎo)致VOCS排放有很大差異。不同菜系烹飪油煙 VOCs排放種類和濃度有明顯差異。典型的非燒烤類菜系中以川菜污染排放較為嚴(yán)重，主要以烷烴和烯烴為主。燒烤類菜系以芳香烴類化合物排放為主。不同食用油中，大豆油污染排放濃度較高，玉米油則相對(duì)健康。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)餐飲油煙VOCs排放特征的研究取得了大量成果，但油煙 VOCs 采樣方式與排放量的估算仍需進(jìn)一步規(guī)范。相關(guān)部門要加強(qiáng)小規(guī)模及未注冊(cè)餐飲業(yè)的排放監(jiān)測(cè)，獲得相關(guān)排放系數(shù)，提高排放量估算的準(zhǔn)確性，對(duì)制定相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)和控制措施具有指導(dǎo)意義。
2)目前我國(guó)餐飲油煙凈化設(shè)備主要針對(duì)油煙顆粒物的去除，但對(duì)于油煙VOCs的末端
治理還尚不完善。綜上所述，餐飲油煙VOCs凈化技術(shù)種類繁多且較為成熟，回收技術(shù)中以吸附法應(yīng)用較多，但該技術(shù)大多應(yīng)用于大型食品加工行業(yè)，并未在中小型餐飲業(yè)進(jìn)行推廣使用。破壞技術(shù)可大幅度提高 VOCs 的凈化效率，其中以催化燃燒法的應(yīng)用較多。催化燃燒是一種綠色、高效的凈化技術(shù)，但催化設(shè)備造價(jià)較高、占地較廣，并不適合低成本的餐飲油煙 VOCs的凈化。針對(duì)餐飲油煙成分的復(fù)雜性和污染氣體排放情況的差異性，采用單一的治理技術(shù)已不能滿足當(dāng)下的治理需求。因此，為了實(shí)現(xiàn)多種VOCs的大范圍去除，通常采用多技術(shù)耦合，充分發(fā)揮各種 VOCs 凈化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高效降解。根據(jù)上述VOCs凈化技術(shù)的分析，低溫等離子體與催化相結(jié)合在降低能耗和減少副產(chǎn)物方面具有潛在優(yōu)勢(shì)，也日益受到了人們的關(guān)注。等離子體催化系統(tǒng)可以通過(guò)改變催化劑表面物理化學(xué)性質(zhì)提升催化劑反應(yīng)活性，充分利用等離子與催化劑之間的協(xié)同作用，提高能量利用率，實(shí)現(xiàn)油煙VOCs的高效降解。然而要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)量化和商業(yè)化，催化劑的選擇尤為重要，探究?jī)烧呷绾螀f(xié)同產(chǎn)生更有利于VOCs降解的物理化學(xué)變化仍是我們未來(lái)的研究重點(diǎn)。同時(shí)，為了踐行國(guó)家綠色環(huán)保的發(fā)展理念，選擇環(huán)保的油煙廢氣處理技術(shù)，也是未來(lái)重點(diǎn)研究的方向。
【參考文獻(xiàn)】
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