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浅谈餐饮油烟中典型VOCs催化氧化研究进展与应对措施

发布时间:2021-09-30浏览:40次

简婷

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:近年来,餐饮油烟逐渐成为城市大气污染的主要来源之一,油烟中挥发性污染物对人体及环境均产生非常大的危害,对其治理刻不容缓。催化燃烧技术因具备去除效率高,无二次污染等优点在废气治理方面有着广阔的应用前景。鉴于此,本文首先总结并分析了油烟中典型挥发性物的成分,发现油烟中烃类、醛酮类污染物含量较高,其次包括酸酯类、醇类和少量的多环芳烃类污染物。在此基础上,综述了催化燃烧技术对于净化上述典型挥发性污染物的研究进展,并对近年来常用的催化剂包括贵金属催化剂、非贵金属催化剂及特定结构的催化剂进行了归纳和整理。结合油烟VOCs成分及其特点,总结了不同种类型的催化剂在油烟治理中的适用性,并对催化燃烧技术在油烟治理方面的研究前景做出了展望。

关键词:餐饮油烟;催化氧化;烃;醛酮;酸酯;混合VOCs;餐饮油烟监测云平台;安科瑞

0.引言

      餐饮油烟是指在烹饪过程中产生的烟气,化学成分非常复杂,对人体和环境都有较大危害。其中的挥发性化合物(VOCs)容易与大气中的O3、.OH等强氧化剂反应生成二次气溶胶,并且在NOx存在的情况下发生光化学反应形成光化学烟雾,同时也是近年来夏季臭氧污染的来源之一,对环境有着很大的负面影响。同时,餐饮油烟对人体的影响也不容忽视,长期暴露在油烟的环境中,会影响人体的呼吸系统,流行病学证明餐饮油烟有一定的致癌风险。随着大气污染治理深入开展,餐饮油烟的治理得到进一步的重视,北京、上海、天津、深圳、重庆等地陆续出台了针对餐饮业油烟排放的地方标准,将油烟排放限值设为1mg/m3,严于现有国家标准2mg/m3。此外,北京、深圳等多地新增了对颗粒物和非甲烷总烃排放浓度的限定。目前的油烟净化方法主要是机械净化法、静电沉积法、洗涤吸收法、过滤吸收法等,这些处理方式主要聚焦于对油烟中油滴和颗粒物等的净化,而对餐饮油烟中的VOCs去除率有限,不能满足新的排放要求。对于油烟中挥发性处理多采用目前比较成熟的VOCs治理手段,包括吸附法、吸收法、生物法、等离子体法,催化氧化法等。其中,催化氧化法净化VOCs是一种清洁的方法,其反应温度低,无二次污染,并且可同时处理多种类型的VOCs,因此对于油烟中VOCs的净化有着良好的应用前景。鉴于本文首先分析明确了油烟中VOCs的组成及特点,并针对典型VOCs代表物催化净化所用催化剂的新研究进展进行调研,在此基础上分析总结适用于催化净化油烟VOCs的催化剂需要具备的结构特征,为油烟VOCs的催化净化技术的开发提供一定的借鉴。

1.油烟排放特征

      餐饮油烟中挥发性物的种类非常复杂,包括烷烃、烯烃、芳香烃、醛酮、酸酯、醇及少量的多环芳烃等,且其成份和浓度会因食用油种类、烹饪温度、烹饪方法、食材等不同而有较大差异,反应过程中产生的物可能还会进一步发生二次反应生成毒性或者难以降解。大量研究表明(图1&表1),油烟中含量较高的VOCs种类为烃类化合物和醛酮化合物,此外伴随一定量的醇类、酸酯类化合物及少量的呋喃和卤代烃。

      烃类污物在餐饮油烟中的种类和含量丰富,主要包括碳C5-C30的正构烷烃、烯烃及芳香烃,其中的十二烷、十八烷、二十烷、甲苯、二甲苯等是重要的促癌物,因此烃类污染物是餐饮油烟中不容忽视的典型污染物之一。徐幽琼等采用气相色谱法分析了大豆油、花生油、玉米油和菜籽油油烟中烃类物质的含量,4种植物油产生油烟中烷烃总含量依次占总检出污染物含量的49.74%、100%、100%和30.96%,其中菜籽油油烟中苯乙烯含量高达69.04%。何万清等用气质联用法测定了花生油、葵花籽油、大豆油、调和油及橄榄油等5种植物油在260℃生成油烟的组分(图1),结果发现烷烃、烯烃、芳香烃均是油烟主要成分,进一步测得烃类主要包括正戊烷、正庚烷、正辛烷、十四烷、十五烷,而烯烃主要有辛烯、庚烯。芳香烃则以甲苯为主,其次还包括二甲苯、乙苯。

       大量研究表明,醛酮类污染物在油烟中的含量仅次于烃类,是油烟中另一典型挥发性污染物。朱杏冬等、汪笃权等和Zhang等分别测得在菜籽油、色拉油、猪油等多种油品所产生的油烟中醛类污染物含量将近占油烟中挥发性物的1/2。油烟中主要的醛类成分因烹饪条件的不同存在差异,何万清等实验检测出的醛类以己醛为主,其次有庚烯醛、戊醛等;Peng等检测到油烟中浓度较高的醛为己醛和癸二烯醛,其次为乙醛、丙醛、丁醛等。史纯珍等用液相色谱法研究烹饪过程中产生的羰基化合物污染排放特征,发现油炸过程产生的油烟VOCs中含量较多的为,占比81.0%,其次为己醛和二。这些研究结果均表明醛酮类物是油烟中不可忽视的污染组分,且因其具有毒性和诱变性,对人体危害较大,在油烟净化过程中应受到高度重视。

       酸类和酯类污染物也是餐饮油烟中含量较高的一类挥发性物。刘中文等通过GC-MS在食用烹调油(大豆油)所产生的油烟中检测出多种酸酯类物质。其中脂肪酸酯主要包括邻苯二甲酸二丁酶、壬酸甲酯、9-十八碳烯酸甲酯及其异构体15-十八碳烯酸甲酯,脂肪酸主要是油酸、亚麻酸。何万清等检测到以棕榈酸、油酸乙酯等为代表的酸酯类物质在油烟中也有着相对较高的含量。其中的不饱和脂肪酸如油酸和亚麻酸,还易发生氧化反应进一步转化为醛和酮,因此餐饮油烟中的酸类和酯类污染物的去除也应受到关注。

       醇类污染物在餐饮油烟中也占有很大的比重,何万清等在五种食用油产生的餐饮油烟中都检测到10种及以上的醇类,如戊醇、乙基乙醇、十二醇等,并将醇与烃类、醛酮、酸酯等一并列为油烟中的主要污染物质。很多餐饮源实地油烟组分检测中也同样检测有大量醇类。虽然醇类污染物毒性较低,但易发生反应生成醛类等高毒性污染物,因此在油烟的催化氧化中,也不可以忽略。

2.油烟典型VOCs组分催化氧化研究进展

      挥发性物催化净化常用的催化剂有贵金属催化剂、非贵金属氧化物催化剂等。这些催化材料虽然在特定种类的VOCs净化过程中有着大量的研究,但在多组分的VOCs净化体系中,其适用性仍需具体分析。油烟中VOCs成分复杂,不同种类的VOCs在催化过程中可能存在着相互影响进而对催化路径和催化效果产生不同程度的影响,因此对于催化剂有更高的要求。在此,首先对油烟中典型污染物组分催化氧化催化剂的新研究进展进行综述,在此基础上分析各类VOCs催化氧化所需要催化材料的结构共性,为开发的油烟多组分VOCs催化净化催化剂奠定基础。

3.安科瑞AcrelCloud3500餐饮油烟监测云平台

      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。

3.1平台结构

      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

3.2平台主要功能

   (1)在线监测

      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。

      (2)告警数据监测

      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。

      (3)数据分析

      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。


     (4)隐患管理

     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。

     (5)统计分析

     包括时长分析、超标分析、历史数据、分析报告等模块。

     (6)基础数据维护

     个人信息、权限维护,企业信息录入,对应测点信息录入等。

     (7)数据服务

      数据采集,短信提醒,数据存储和解析。

3.3油烟监测主机

      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。


具体技术参数如下:

3.4设备选型方案

注:双探头适合双排烟通道的场合,每路探头监测1路排烟通道。

4.结语

      油烟组分多样,所涉及的反应过程复杂,催化温度相对较高,且有一定的含湿量,因此催化剂除了要有良好的催化性能外,还应具有良好的抗水、抗结焦、抗失能及良好的热稳定性。另外餐饮油烟中多种VOCs在去除过程中存在一定的相互影响作用,如因对吸附点的竞争而存在优先吸附现象,在混合条件下反应路径存在相互影响等,与单一组分VOCs催化氧化存在一定差别,因此在今后的研究中,也应结合油烟VOCs的自身特点,设计构建更适合油烟催化氧化的催化剂。

【参考文献】

[1]张星,钱振清,张德峰,等.餐饮油烟排放特征与净化技术研究进展[J].环境工程,2020,38(1):37-41.

[2]冯铁成,易红宏,唐晓龙,等.餐饮油烟污染及其净化技术研究进展[J].现代化工,2017,37(3):20-23.

[3]柴美彤,张润铎.餐饮油烟催化净化技术的研究进展[J].工业催化,2018,26(5):12-19.

[4]隗晶慧,冯勇超,于庆君,易红宏,唐晓龙,张媛媛,孟,袁雨婷.餐饮油烟中典型VOCs催化氧化研究进展[J].化工进展,2020.

[5]安科瑞AcrelCloud-3500餐饮油烟监测云平台.2020.05版.

作者简介:

简婷,女,现任安科瑞电气股份有限公司,主要从事餐饮油烟监测的研发与应用。

 

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