淺析餐飲油煙污染物凈化技術(shù)對比及應(yīng)對

2. 吸附/催化法凈化餐飲油煙技術(shù)

     通過前述各凈化技術(shù)的對比可知，現(xiàn)有的油煙 凈化技術(shù)主要用于油滴和顆粒物的凈化，隨著新法規(guī)的出現(xiàn)，對于油煙中揮發(fā)性物的凈化逐漸提上日程。鑒于未有針對餐飲油煙凈化的專門技術(shù)，工業(yè)VOCs凈化技術(shù)，如吸附法、吸收法、生物法、等 離子體法、催化氧化法等被研究者們廣為借鑒。其中，吸附法設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，對揮發(fā)性物的去除率高; 燃燒法亦能去除揮發(fā)性物，但應(yīng)用范圍有限; 催化燃燒法因催化劑的引入能夠在較低溫度下降解油煙污染物，實現(xiàn)無焰燃燒，成為研究者們研究對象。但是不論是吸附法亦或是催化燃燒法，應(yīng)用的前提與核心是高性能吸附/催化材料的開發(fā)。

2.1吸附材料 

      目前常見的工業(yè)上VOCs吸附劑主要包括三氧化二鋁、碳基吸附劑、分子篩、硅膠、金屬框架材料等。其中，碳材料因具有發(fā)達的孔隙以及表面積、 強大的吸附能力、低廉的成本等優(yōu)勢成為廣泛使用的吸附劑。研究者們不斷更新制碳原料來源以及制碳方法，以期改進碳材料的吸附能力以及拓寬應(yīng)用 范圍。Yang 等采用廢牛骨碳化形成骨炭，使用H3PO4修飾降低了傳質(zhì)阻力，加速吸附過程; 使用K2CO3，促使形成新的分層孔結(jié)構(gòu)，提供了豐富的吸附位。典型VOCs的比吸附容量達到13. 03 mmol /g，遠高于相同條件下的文獻數(shù)據(jù)。劉超等采用直接炭化法制備油茶果殼炭，并將其應(yīng)用于油煙凈化，討論了自制油煙吸附裝置中油煙入口濃度、體積空速和吸附床層高度3個因素對穿 透曲線和吸附容量的影響。所開發(fā)的油茶果殼炭含有眾多孔徑不一的孔隙，有利于油煙這種含有多種組分污染物分子的吸附作用。此外，進行芬頓改性后的新型吸附材料的孔道結(jié)構(gòu)保持良好，表面產(chǎn)生了大量的羥基、羰基、羧基等基團。盡管碳材料具備眾多優(yōu)勢， 但是由于其具有易燃特性，存在隱患，不適合應(yīng)用于油煙凈化體系中。同時，根據(jù)環(huán)境部印發(fā)的《國家危險廢物名錄( 2021年版) 》，廢棄炭已被列為危廢，嚴重限制了其應(yīng)用。因此，越來越多的研究者嘗試開發(fā)新型吸附材料以取代炭。Sinan等開發(fā)了硅膠基新型吸附劑，以增加對典型VOCs二甲苯和甲苯的吸附/解吸性能。具體的，將亞芳基羧酸衍生物束縛到GBS固定相上獲得吸附劑 DACTS。DACTS 對二甲苯和甲苯氣體顯示出顯著的吸附性能，GBS、DACTS 對二甲苯吸附量分別為542. 98、882. 94 mg /g，甲苯吸附量分別為398. 14、660. 87 mg /g。

       近年來，分子篩材料以及金屬框架材料 ( MOFs) 也被廣泛應(yīng)用于吸附劑。分子篩因具有規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)、可調(diào)變的硅鋁比使其成為疏水吸附材料的重要選擇，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于吸附轉(zhuǎn)輪濃縮技術(shù)中。金屬框架材料( MOFs) 以較大的比表面積、可調(diào)節(jié)的孔徑和可修飾性等優(yōu)勢，在VOCs脫除 領(lǐng)域展示出良好的應(yīng)用前景。從吸附劑角度看，吸附量主要受 MOFs的結(jié)構(gòu)形狀、改性官能團和碳材料摻雜的影響。從吸附質(zhì)的角度看，吸附量主要受吸附質(zhì)的結(jié)構(gòu)形狀、水的競爭吸附和酸堿的影響。 提高MOFs對VOCs的吸附量首先要了解MOFs的孔徑大小、幾何形狀和VOCs分子的形狀。針對不同形狀、不同性質(zhì)的吸附質(zhì)對MOFs進行修飾改性， 如添加官能團，以增強非鍵相互作用; 修改連接配體，調(diào)節(jié)孔的形狀大小，比如將連接配體對苯二甲酸替換為2，6－萘二甲酸二甲酯、采用柔性連接配體等。VOCs中含有的水和酸堿亦對吸附量有一定影響，例如競爭吸附，破壞配位鍵，可以通過采用 疏水性連接配體屏蔽金屬團簇與連接配體之間的弱配位鍵來使得水和酸堿對框架的影響，還可以在 MOFs表面添加疏水基團來達到疏水目的，或者采用高價態(tài)或高惰性的金屬團簇也可以增加配位鍵強度，使MOFs具有更高的穩(wěn)定性。常用吸附劑及其性質(zhì)如表 2 所示。

表 2 不同吸附劑簡單介紹

2.2 催化材料

       催化氧化法被認為是油煙氣體中揮發(fā)性化合物的合適凈化方法。在催化氧化過程中，催化劑起著重要作用，是催化氧化凈化的核心。開發(fā)性能優(yōu)異的催化劑是提高凈化效率、降低反應(yīng)溫度、降低能耗的關(guān)鍵。工業(yè)VOCs催化燃燒催化劑主要由金屬構(gòu)成，分為金屬氧化物型和負載型催化劑。其中，金屬氧化物型催化劑根據(jù)元素組成包括錳、鐵、銅、鎳、鈷以及復(fù)合金屬等，根據(jù)形貌結(jié)構(gòu)則可分為尖晶石結(jié)構(gòu)、核殼結(jié)構(gòu)、三維立體結(jié)構(gòu)以及其他特殊結(jié)構(gòu)類型。負載型催化劑通常包括貴金屬負載和金屬氧化物負載2大類，主要是利用組分可以在載體上高度分散，在增加催化的同時來減少用量，是目前廣泛研究的催化劑之一。針對餐飲油煙中大量、多種揮發(fā)性的催化凈化，北京科技大學(xué) Huang等開發(fā)了一系列堇青石負載金屬氧化物催化劑( Mn4Ce1/Ti/NC－CTAB－U/C) ，對餐飲油煙中非甲烷總烴的催化氧化凈化效率在400℃可達94%，是一種性能優(yōu)異 的催化劑。中國礦業(yè)大學(xué)( 北京) Li 等及中北大學(xué)苗隆鑫等以ZSM－5分子篩作為載體，利用其較大的比表面積與孔容，為VOCs催化氧化提供更多的位點。分子篩除了作為優(yōu)越的吸附劑，也是催化劑的載體之一。

2.3 吸附/催化復(fù)合技術(shù)/材料

        餐飲油煙中VOCs成分復(fù)雜，含有烷烴、芳香烴、醛酮、酸酯等多種類型的VOCs，因此相比單一組分VOCs，催化氧化過程更復(fù)雜，難度也相對更高。對單一VOCs組分具有優(yōu)異催化性能的催化材料并不一定能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜組分的同時凈化。從這個角度來看，單一凈化技術(shù)難以滿足餐飲油煙中VOCs的凈化需求。此外，餐飲油煙VOCs經(jīng)油煙機抽氣稀釋排放后具有濃度很低、成分非常復(fù)雜、含水分、間歇排放的特征，針對此，將吸附富集與催化降解聯(lián)用，具有較大的應(yīng)用價值。在排放煙氣時對VOCs進行吸附富集，保證再次處理效果。上海交通大學(xué)Yao等將吸附與等離子體技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)堿改性鈷錳固溶體作為復(fù)合材料，一方面利用材料表面的羥基實現(xiàn)對油煙典型化合物正己醛的化學(xué)吸附富集，另一方面利用等離子體實現(xiàn)對材料表面吸附的正己醛的催化降解。采用該技術(shù)路線，正己醛的去除率可達99.4%，礦化率則可達85. 7%。魏玉濱等則利用蜂炭的比表面積大、風(fēng)阻低等特征，將MnO2負載于炭上，使得材料同時具備了優(yōu)越的吸附與催化性能，對油煙典型組分之一乙醇具有良好的凈化效果。北京科技大學(xué)Yu等開發(fā)了一類同時具備優(yōu)異吸附和催化氧化性能的雙功能金屬基MEL分子篩，可以實現(xiàn)對非甲烷總烴的吸附凈化，待烹飪結(jié)束后，利用材料表面的催化位點實現(xiàn)對吸附富集的VOCs分子的原位催化降解，實現(xiàn)材料吸附性能的恢復(fù)。因所制備的分子篩材料具有多級孔道結(jié)構(gòu)， 因此可以實現(xiàn)對油煙中多種污染物分子的同時吸附，展現(xiàn)出優(yōu)異的凈化效果。

3.安科瑞AcrelCloud3500餐飲油煙監(jiān)測云平臺

      為了彌補現(xiàn)存餐飲行業(yè)在煙油監(jiān)測上的漏洞，同時便利監(jiān)管部門的監(jiān)察，安科瑞油煙監(jiān)測云平臺應(yīng)運而生。油煙監(jiān)測模塊通過2G/4G與云端平臺進行通信和數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)能夠?qū)ζ髽I(yè)餐飲設(shè)備的開機狀態(tài)、運行狀態(tài)進行監(jiān)控；實現(xiàn)開機率監(jiān)測，凈化效率監(jiān)測，設(shè)施停運

告警，待清洗告警，異常告警等功能；對采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析、排名等統(tǒng)計功能；較之傳統(tǒng)的靜電監(jiān)測方案，更具實效性。平臺預(yù)留與其他應(yīng)用系統(tǒng)、設(shè)備交互對接接口，具有很好的擴展性。

3.1 平臺結(jié)構(gòu)

       平臺GIS地圖采集餐飲油煙處理設(shè)備運行狀態(tài)和油煙排放的濃度數(shù)據(jù)，自動對超標排放及異常企業(yè)進行提示預(yù)警，監(jiān)管部門可迅速進行處理，督促餐飲企業(yè)整改設(shè)備，并定期清洗、維護，實現(xiàn)減排環(huán)保，不擾民等目的。現(xiàn)場安裝監(jiān)測終端，持續(xù)監(jiān)測油煙凈化器的工作狀態(tài)，包括設(shè)備運行的電流、電壓、功率、耗電量等等，同時結(jié)合排煙口的揮發(fā)性物質(zhì)、顆粒物濃度等進行對比分析，一旦排放超標，系統(tǒng)會發(fā)出異常信號。

■ 油煙監(jiān)測設(shè)備用來監(jiān)測油煙、顆粒物、NmHc等數(shù)據(jù)

■ 凈化器和風(fēng)機配合對油煙進行凈化處理，同時對凈化設(shè)備的電流、電壓進行監(jiān)測 

■ 設(shè)備通過4G網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)上傳至遠程云端服務(wù)器

3.2平臺主要功能

（1）在線監(jiān)測

       對油煙排污數(shù)據(jù)的監(jiān)測，包括油煙排放濃度，顆粒物，NmHc等數(shù)值采集監(jiān)測；同時對監(jiān)控風(fēng)機和凈化器的啟停狀態(tài)、運行數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。

(2)告警數(shù)據(jù)監(jiān)測

      系統(tǒng)根據(jù)采集的油煙數(shù)值大小，產(chǎn)生對應(yīng)的排放超標告警；對凈化器的運行數(shù)據(jù)分析，上傳凈化設(shè)備對應(yīng)的運行、停機、故障等告警事件。

(3)數(shù)據(jù)分析

      運行時長分析，離線分析；告警占比、排名分析；歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計等。

(5)統(tǒng)計分析

      包括時長分析、超標分析、歷史數(shù)據(jù)、分析報告等模塊。

(6)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護

     個人信息、權(quán)限維護，企業(yè)信息錄入，對應(yīng)測點信息錄入等。

(7)數(shù)據(jù)服務(wù)

     數(shù)據(jù)采集，短信提醒，數(shù)據(jù)存儲和解析。

3.3 油煙監(jiān)測主機

      油煙監(jiān)控主機是現(xiàn)場的管理設(shè)備，實時采集油煙濃度探測器和工況傳感器的信號，進行數(shù)據(jù)處理，通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)通訊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器平臺。同時，對本地數(shù)據(jù)進行存儲，監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)，提供人機操作界面。

4.結(jié)論

      針對環(huán)保法規(guī)的新要求，傳統(tǒng)的單一油煙凈化技術(shù)已無法實現(xiàn)同時對油滴、顆粒物以及上百種揮發(fā)性的同時凈化去除，開發(fā)復(fù)合型技術(shù)、多功能材料勢在必行。本文中在綜述分析對比目前已有油煙凈化技術(shù)特點的基礎(chǔ)上，闡述了對油煙中揮發(fā)性具有較高凈化效率的吸附以及催化氧化技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上綜述了國內(nèi)外關(guān)于吸附/催化聯(lián)合降解油煙揮發(fā)性的較新技術(shù)研究進展， 旨在為科研工作者開發(fā)新型油煙凈化技術(shù)提供一定的借鑒。

 

【參考文獻】

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［4］張媛媛，馮勇超，于慶君，韓佳慧.餐飲油煙污染物凈化技術(shù)對比及前景分析.［J］現(xiàn)代化工.2021.

［5］安科瑞AcrelCloud-3500餐飲油煙監(jiān)測云平臺.2020.05版.

 

作者簡介：

張娟，女，現(xiàn)任安科瑞電氣股份有限公司，主要從事餐飲油煙監(jiān)測的研發(fā)與應(yīng)用。  QQ：2880635303, 郵箱:2880635303@qq.com