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浅析餐饮油烟污染物净化技术对比及应对

餐饮油烟( cooking oil fumes,COFs) 它是指食用油挥发后凝结和高温产生的油烟,含有多种有毒化学成分,不仅危害烹饪人员的健康,而且污染周围环境。烹饪温度,食用 不同的油类、添加成分类型和烹饪方法会影响油烟的组成。餐饮油烟污染物主要包括颗粒物 挥发性物2类。近两年来,各地出台了油烟治理新标准,不仅收紧了油烟和颗粒物的排放限值,还增加了非甲烷总烃( NMHC) 排放限制。因此,开发新型餐饮油烟净化技术对保护大气环境和人体健康具有重要意义。本文首先对各种净化技术的优缺点进行了比较分析,在此基础上分析了吸附催化技术净化挥发性物质,并对油烟污染物的净化进行了展望。

机械法在惯性作用下,使油烟气体中的颗粒物达到沉积面( 碰撞面) 脱离气流。机械净化设备通常采用折叠式、滤网式、蜂窝波纹式等滤油栅 ( 金属网罩、格栅) ,从气流中分离去除油烟颗粒物与格栅碰撞粘附。滤油栅一般安装在集中 为了或集成在其他净化设备的前端,以降低其他设备的清洗和维护压力。该法装置简单,阻力小, 低成本房抽油烟机广泛应用于低成本优势, 并仍使用于一些老式餐饮业油烟处理系统中。为了 为了提高净化效率,通常采用集油板和外部 形/尺 增加吸油烟通道,扩散吸油烟范围等改进措施。但该方法对小粒径油烟颗粒物的捕集效率低,无除臭功能,油烟净化率一般为50% ~70%。 此外,挡板滤网易破裂,废气直接排放,由于油烟颗粒粘度大,清洗维护工作量大,适用于油烟污染物预处理或净化效率要求低的场合。

洗涤吸收法是指用水或其他洗涤剂喷洒喷嘴 喷洒形成水膜和水雾吸收油烟。油烟颗粒与喷嘴喷出的水雾和水膜接触。经过相互惯性碰撞、滞留、细颗粒扩散和相互凝结后,油烟颗粒与气流分离。设备结构简单,投资少,占地面积小,运行成本低,维护管理方便。但存在二次污染、阻力大、亚微米颗粒净化率低、油污水处理等缺点。

静电法是指负金属丝表面或附近在外部高压作用下产生颗粒风,油烟颗粒在短时间内因碰撞俘获气体离子而充电,并在电场力作用下向正集尘板移动。其净化机制与其它方法的区别在于: 分离是静电,直接作用于粒子,而不是气流,因此具有能耗低、阻力小的特点。静电法是油烟净化处理的传统方法之一。技术手段成熟,应用广泛。静电油烟净化设备投资少,占地面积小,无二次污染。由于容易捕捉粒径小的粉尘,油烟中颗粒物的净化效率可达90%~98%,但油烟中气体污染物的去除效果一般,不能满足餐饮污染物排放新标准中非甲烷总烃的净化要求。

光催化法是指利用特殊波长紫外线发出的紫外线照射油烟分子的净化方法。紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外线-紫外紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-紫外-C波段的光来改变油的分子链。同时,紫外线与空气中的氧反应产生臭氧。臭氧冷燃油分子,产生水和二氧化碳,烟道中的气味消失。收紧餐饮污染物排放标准后,采用紫外光催化法( UV法) 成为净化气体污染物的热门处理方法之一。很多厂家( 如帅康,广东锐 四川奥洁、深圳天龙等。 开发的油烟净化设备 均采用UV法。但至少需要30个技术m紫外光管安装方便。此外,紫外线致癌,密封严密,会造成臭氧污染,净化效率低。

过滤方法是指油烟废气首先通过一定数量的金属格栅堵塞大颗粒污染物;然后烟气通过纤维垫和其他过滤材料扩散、拦截和去除。吸油性能高的聚合物复合材料通常选用滤料。过滤设备投资少,运行成本低,无二次污染 但由于滤料阻力大,需要更换滤料,其应用受到限制。因此,目前的研究方法是提高滤料的使用寿命,提高滤料的效率。值得注意的是,过滤法作为油烟的预处理装置是可行的,但对油烟来说是可行的VOCs净化效果差,需要在过滤段下游增加VOCs净化段; 同时,还需要考虑滤料的成本和重量 复?利用问题。

生物法的本质是吸收传质和生物氧化的结合。废气净化过程的实质是利用微生物的代谢活动将有害物质转变为简单的无机物( 如 CO2 和 H2O) 细胞质等。气体污染物与水接触中( 即由气膜扩散到液膜中 ;溶解在液的推动下,溶解在液膜中的污染物进一步扩散到附着在填料表面的生物膜层,被微生物捕获和吸收。与其他方法相比,生物法可以解决多组分污染物净化效率低的技术问题,去除复杂多组分的油烟污染物。同时,根据微生物代谢规律,优化菌群结构调节,建立复合微生物菌剂,实现油烟生物净化装置的稳定运行。但该法存在菌种选育时间长、烟气温度高等问题 因此,湿度影响大、启动时间长、成分适应性调查等问题在一定程度上受到限制。

吸附法是指使用吸附介质(碳等) 吸附油烟中的污染物,净化油烟污染物。该方法不仅能去除污染物,还能净化油烟气味,设备结构简单,油烟去除率高。吸附设备在运行初期效果良好。随着运行时间的延长,油烟开始附着在吸附质上。吸附层逐渐增厚,吸附能力逐渐降低,运行阻力增加,吸附剂需要定期处理和更换,增加了运行成本。

燃烧法是指利用高温燃烧产生的热量进行氧化反应,将油烟废气中的污染物转化为 CO2和H2O等物质,从而达到净化的目的。燃烧包括直接燃烧和催化燃烧。对于直接燃烧法,这种技术在国外应用较多,油烟中物质燃烧完全,热效率高,油烟净化效率高。但设备成本高,运行维护成本高,不适用于中小型餐饮单位和家庭,适用于大型油炸企业和餐饮业。催化燃烧法是利用催化剂降低氧化反应能和燃烧温度,使反应物完全氧化 CO2和H2O,从而达到油烟净化的目的。通常与吸附法一起净化VOCs气体污染物处理能力强,无二次污染,产生的热量可回收利用。一般以陶瓷或金属蜂窝为载体进行氧化催化。对上述技术和工艺特征进行比较 所示。一般来说,现有的油烟净化设备大多采用机械过滤法和静态过滤法 电法、离心法等。这些方法对去除油滴和颗粒有很好的效果,但对油滴和颗粒有很好的效果VOCs 去除非常有限;化法和生物法对去除非常有限;VOCs具有较好的净化效果,但应用于餐饮油烟净化的实际应用仍处于技术空白。此外,鉴于餐饮油烟污染物组成复杂,含有颗粒物,单一技术难以实现多污染物净化,迫切需要开发新的综合油烟处理技术,同时净化油烟颗粒物NMHC的去除。

通过对上述净化技术的比较,现有油烟 净化技术主要用于油滴和颗粒物的净化。随着新法律法规的出现,油烟中挥发性物质的净化逐渐提上议事日程。鉴于餐饮油烟净化没有专门的技术,工业VOCs吸附法、吸收法、生物法等净化技术 研究人员广泛借鉴离子体法和催化氧化法。吸附设备结构简单,挥发性物质去除率高; 燃烧法还可以去除挥发性物质,但应用范围有限; 催化燃烧法因催化剂的引入的油烟污染物,实现无焰燃烧,成为研究者的研究对象。但无论是吸附法还是催化燃烧法,应用的前提和核心都是开发高性能吸附/催化材料。

目前常见的工业VOCs吸附剂主要包括三氧化二铝、碳基吸附剂、分子筛、硅胶、金属框架材料等。其中,碳材料孔隙和表面积发达, 吸附能力强,成本低,吸附剂应用广泛。为了提高碳材料的吸附能力,拓宽其应用,研究人员不断更新制碳原料的来源和制碳方法 范围。Yang 用废牛骨碳化形成骨炭H3PO4装饰降低了传质阻力,加速了吸附过程; 使用K2CO3,促使形成新的分层孔结构,提供了丰富的吸附位。典型VOCs比吸附容量达到13. 03 mmol /g,文献数据远条件下的文献数据。刘超采用直接炭化法制备油茶果壳炭,并应用于油烟净化。讨论了自制油烟吸附装置中油烟入口浓度、体积空速和吸附床高度的三个因素 影响透曲线和吸附容量。油茶果壳炭含有许多不同孔径的孔隙,有利于油烟的吸附,含有多种组分污染物分子。此外,芬顿改性后的新型吸附材料的孔结构保持良好,表面产生大量羟基、碱基、羧基等基团。尽管碳材料有许多优点, 但由于其易燃特性,存在隐患,不适合油烟净化系统。同时,根据环境部发布的《国家危险废物清单》( 2021年版) 》,废炭已被列为危险废物,其应用受到严重限制。因此,越来越多的研究人员试图开发新的吸附材料来代替碳。Sinan为了增加典型的硅胶基新型吸附剂VOCs二甲苯和甲苯的吸附/解吸性能。具体来说,将亚芳基羧酸衍生物束缚到GBS获得固定相上的吸附剂 DACTS。DACTS 二甲苯和甲苯气体具有明显的吸附性能,GBS、DACTS 二甲苯吸附量分别为542. 98、882. 94 mg /g,甲苯吸附量分别为398. 14、660. 87 mg /g。

近年来,分子筛材料和金属框架材料 (MOFs) 也被广泛应用于吸附剂。分子筛因具有规则的孔道结构、可调变的硅铝比使其成为疏水吸附材料的重要选择,已经广泛应用于吸附转轮浓缩技术中。金属框架材料( MOFs) 以较大的比表面积、可调节的孔径和可修饰性等优势,在VOCs脱除 领域展示出良好的应用前景。从吸附剂角度看,吸附量主要受 MOFs的结构形状、改性官能团和碳材料掺杂的影响。从吸附质的角度看,吸附量主要受吸附质的结构形状、水的竞争吸附和酸碱的影响。 提高MOFs对VOCs的吸附量首先要了解MOFs的孔径大小、几何形状和VOCs分子的形状。针对不同形状、不同性质的吸附质对MOFs进行修饰改性, 如添加官能团,以增强非键相互作用; 修改连接配体,调节孔的形状大小,比如将连接配体对苯二甲酸替换为2,6-萘二甲酸二甲酯、采用柔性连接配体等。VOCs中含有的水和酸碱亦对吸附量有一定影响,例如竞争吸附,破坏配位键,可以通过采用 疏水性连接配体屏蔽金属团簇与连接配体之间的弱配位键来使得水和酸碱对框架的影响,还可以在 MOFs表面添加疏水基团来达到疏水目的,或者采用高价态或高惰性的金属团簇也可以增加配位键强度,使MOFs具有更高的稳定性。常用吸附剂及其性质如表 2 所示。

       催化氧化法被认为是油烟气体中挥发性化合物的合适净化方法。在催化氧化过程中,催化剂起着重要作用,是催化氧化净化的核心。开发性能优异的催化剂是提高净化效率、降低反应温度、降低能耗的关键。工业VOCs催化燃烧催化剂主要由金属构成,分为金属氧化物型和负载型催化剂。其中,金属氧化物型催化剂根据元素组成包括锰、铁、铜、镍、钴以及复合金属等,根据形貌结构则可分为尖晶石结构、核壳结构、三维立体结构以及其他特殊结构类型。负载型催化剂通常包括贵金属负载和金属氧化物负载2大类,主要是利用组分可以在载体上高度分散,在增加催化的同时来减少用量,是目前广泛研究的催化剂之一。针对餐饮油烟中大量、多种挥发性的催化净化,北京科技大学 Huang等开发了一系列堇青石负载金属氧化物催化剂( Mn4Ce1/Ti/NC-CTAB-U/C) ,对餐饮油烟中非甲烷总烃的催化氧化净化效率在400℃可达94%,是一种性能优异 的催化剂。中国矿业大学( 北京) Li 等及中北大学苗隆鑫等以ZSM-5分子筛作为载体,利用其较大的比表面积与孔容,为VOCs催化氧化提供更多的位点。分子筛除了作为优越的吸附剂,也是催化剂的载体之一。

        餐饮油烟中VOCs成分复杂,含有烷烃、芳香烃、醛酮、酸酯等多种类型的VOCs,因此相比单一组分VOCs,催化氧化过程更复杂,难度也相对更高。对单一VOCs组分具有优异催化性能的催化材料并不一定能够实现对复杂组分的同时净化。从这个角度来看,单一净化技术难以满足餐饮油烟中VOCs的净化需求。此外,餐饮油烟VOCs经油烟机抽气稀释排放后具有浓度很低、成分非常复杂、含水分、间歇排放的特征,针对此,将吸附富集与催化降解联用,具有较大的应用价值。在排放烟气时对VOCs进行吸附富集,保证再次处理效果。上海交通大学Yao等将吸附与等离子体技术相结合,开发碱改性钴锰固溶体作为复合材料,一方面利用材料表面的羟基实现对油烟典型化合物正己醛的化学吸附富集,另一方面利用等离子体实现对材料表面吸附的正己醛的催化降解。采用该技术路线,正己醛的去除率可达99.4%,矿化率则可达85. 7%。魏玉滨等则利用蜂炭的比表面积大、风阻低等特征,将MnO2负载于炭上,使得材料同时具备了优越的吸附与催化性能,对油烟典型组分之一乙醇具有良好的净化效果。北京科技大学Yu等开发了一类同时具备优异吸附和催化氧化性能的双功能金属基MEL分子筛,可以实现对非甲烷总烃的吸附净化,待烹饪结束后,利用材料表面的催化位点实现对吸附富集的VOCs分子的原位催化降解,实现材料吸附性能的恢复。因所制备的分子筛材料具有多级孔道结构, 因此可以实现对油烟中多种污染物分子的同时吸附,展现出优异的净化效果。

      为了弥补现存餐饮行业在烟油监测上的漏洞,同时便利监管部门的监察,安科瑞油烟监测云平台应运而生。油烟监测模块通过2G/4G与云端平台进行通信和数据交互,系统能够对企业餐饮设备的开机状态、运行状态进行监控;实现开机率监测,净化效率监测,设施停运

告警,待清洗告警,异常告警等功能;对采集数据进行统计分析、排名等统计功能;较之传统的静电监测方案,更具实效性。平台预留与其他应用系统、设备交互对接接口,具有很好的扩展性。

       平台GIS地图采集餐饮油烟处理设备运行状态和油烟排放的浓度数据,自动对超标排放及异常企业进行提示预警,监管部门可迅速进行处理,督促餐饮企业整改设备,并定期清洗、维护,实现减排环保,不扰民等目的。现场安装监测终端,持续监测油烟净化器的工作状态,包括设备运行的电流、电压、功率、耗电量等等,同时结合排烟口的挥发性物质、颗粒物浓度等进行对比分析,一旦排放超标,系统会发出异常信号。

■ 油烟监测设备用来监测油烟、颗粒物、NmHc等数据

■ 净化器和风机配合对油烟进行净化处理,同时对净化设备的电流、电压进行监测 

■ 设备通过4G网络将采集的数据上传至远程云端服务器

       对油烟排污数据的监测,包括油烟排放浓度,颗粒物,NmHc等数值采集监测;同时对监控风机和净化器的启停状态、运行数据进行监测。

      系统根据采集的油烟数值大小,产生对应的排放超标告警;对净化器的运行数据分析,上传净化设备对应的运行、停机、故障等告警事件。

      运行时长分析,离线分析;告警占比、排名分析;历史数据统计等。

       系统对采集的告警数据分析,产生对应的隐患记录,派发、处理隐患,及时处理告警,形成闭环。

      包括时长分析、超标分析、历史数据、分析报告等模块。

     个人信息、权限维护,企业信息录入,对应测点信息录入等。

     数据采集,短信提醒,数据存储和解析。

      油烟监控主机是现场的管理设备,实时采集油烟浓度探测器和工况传感器的信号,进行数据处理,通过有线或无线网络通讯将数据传输到服务器平台。同时,对本地数据进行存储,监控现场设备状态,提供人机操作界面。

      针对环保法规的新要求,传统的单一油烟净化技术已无法实现同时对油滴、颗粒物以及上百种挥发性的同时净化去除,开发复合型技术、多功能材料势在必行。本文中在综述分析对比目前已有油烟净化技术特点的基础上,阐述了对油烟中挥发性具有较高净化效率的吸附以及催化氧化技术,并在此基础上综述了国内外关于吸附/催化联合降解油烟挥发性的较新技术研究进展, 旨在为科研工作者开发新型油烟净化技术提供一定的借鉴。

标签: 甲酸气体传感器模块

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