揮發(fā)性有機化合物（VOCs）作為大氣污染的關鍵源頭，對環(huán)境與人類健康危害極大。本文深入剖析光熱催化反應系統(tǒng)降解 VOCs 的機制、性能優(yōu)勢，并與吸附、燃燒、生物處理等傳統(tǒng)技術對比。光熱催化借光子激發(fā)與熱效應協(xié)同，顯著降低反應能壘，加速反應進程。實驗表明，在模擬太陽光輻照下，特定光熱催化劑可于 160-180℃實現(xiàn)甲苯等典型 VOCs 超 90% 的轉化率，遠優(yōu)于傳統(tǒng)熱催化的 250-350℃起燃溫度，且較光催化在量子效率、反應速率上提升明顯。在運行成本方面，光熱催化因高效能、低能耗，長期運行費用低于傳統(tǒng)技術。綜合來看，光熱催化反應系統(tǒng)在降解效率、能耗、穩(wěn)定性及成本控制上優(yōu)勢顯著，為 VOCs 治理開拓了新路徑。

一、引言

      揮發(fā)性有機化合物（VOCs）涵蓋眾多沸點在 50-260℃的有機化合物，來源廣泛，如工業(yè)涂裝、化工生產、汽車尾氣排放等。VOCs 不僅具有毒性、刺激性，部分還具致癌性，更會在光照下與氮氧化物發(fā)生復雜光化學反應，生成臭氧、光化學煙霧等二次污染物，嚴重惡化大氣環(huán)境，威脅人類呼吸系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)健康。

      傳統(tǒng) VOCs 治理技術多樣，吸附法利用活性炭等吸附劑捕捉 VOCs，但存在吸附容量限制與吸附劑再生難題；燃燒法雖降解，卻能耗高，易產生氮氧化物等二次污染；生物處理法經(jīng)濟環(huán)保，但處理效率受廢氣成分、微生物活性制約，對高濃度、復雜成分廢氣處理效果不佳。

      光熱催化反應系統(tǒng)作為新興技術，融合光催化與熱催化優(yōu)勢，借助光激發(fā)產生的高能載流子與熱效應協(xié)同，在溫和條件下即可高效降解 VOCs，展現(xiàn)出巨大應用潛力，有望突破傳統(tǒng)技術瓶頸，為大氣污染治理提供創(chuàng)新方案。

二、光熱催化反應系統(tǒng)概述

（1）基本原理

      光熱催化的核心在于光生載流子與熱效應的協(xié)同作用。當光照射到光熱催化劑表面，具有合適能量的光子被吸收，致使催化劑內電子從價帶躍遷到導帶，形成光生電子 - 空穴對。這些光生載流子具備強氧化還原能力，可直接參與 VOCs 的降解反應。與此同時，部分未參與躍遷的光子能量通過非輻射弛豫過程轉化為熱能，提升催化劑表面溫度，加速分子運動，降低反應活化能，促進反應動力學進程。

      例如，在以二氧化鈦（TiO?）為基礎的光熱催化劑中，引入具有高吸光、導熱性能的碳納米材料（如碳納米管、石墨烯），碳納米材料吸收光能后迅速升溫，將熱量傳遞給 TiO?，不僅拓寬了催化劑的光吸收范圍，還增強了光生載流子的分離與遷移效率，使 VOCs 在光生載流子氧化還原與熱加速反應的雙重作用下高效降解。

（2）關鍵組成與工作流程

      光熱催化反應系統(tǒng)主要由光熱催化劑、光源及反應裝置構成。光熱催化劑作為核心，需具備高效光吸收、良好光熱轉換及優(yōu)異催化活性的特性。常見光熱催化劑包括負載型金屬催化劑（如 Pt/TiO?、Au/CeO?）、碳基復合材料（如 rGO-TiO?、CNT-Co?O?）及部分過渡金屬氧化物（如 Bi?WO?、Cu?O）。

      光源方面，可依據(jù)催化劑的光響應范圍選擇，如紫外燈匹配紫外響應型催化劑（如傳統(tǒng) TiO?），而氙燈、LED 等寬光譜光源更適合用于具有可見光、近紅外光響應的新型催化劑。反應裝置的設計需兼顧光傳輸效率、氣體流通性與催化劑固定方式，常見形式有管式反應器、平板式反應器及流化床反應器等。

      工作時，含 VOCs 的廢氣通入反應裝置，在流動過程中與催化劑充分接觸，光源照射催化劑，啟動光熱催化反應，VOCs 逐步被氧化分解為二氧化碳、水等無害小分子，凈化后的氣體從裝置出口排出。

（3）影響性能的關鍵因素

      催化劑的組成與結構對光熱催化性能影響深遠。活性組分的種類、負載量及分布狀態(tài)，載體的物理化學性質（如比表面積、孔結構、導熱性），以及活性組分與載體間的相互作用，均會改變催化劑的光吸收、載流子分離與遷移及表面反應活性。例如，適量貴金屬（如 Pt、Au）負載于半導體氧化物載體上，可通過肖特基勢壘促進光生載流子分離，提升催化活性；而具有多級孔結構的載體，既能增加比表面積、提高反應物吸附量，又有利于氣體擴散與產物脫附。

      光強與波長直接關聯(lián)光熱催化反應效率。不同催化劑具有特定光響應范圍，如 TiO?主要響應紫外光，在 254nm 左右光催化活性最高；而 g-C?N?、BiVO?等新型催化劑對可見光響應良好，最佳響應波長在 400-700nm。提高光強可增加光子能量輸入，提升光生載流子生成速率，但過高光強可能導致光生載流子復合加劇，需依據(jù)催化劑特性優(yōu)化光強參數(shù)。

      反應溫度對光熱催化存在雙重影響。適度升溫可加速分子運動，降低反應活化能，提高反應速率；但溫度過高，一方面可能引發(fā)催化劑燒結、活性組分流失，導致催化劑失活；另一方面，高溫會促進副反應發(fā)生，降低目標產物選擇性。此外，反應物濃度、氣體流速等反應條件，也需精細調控，以實現(xiàn)光熱催化反應系統(tǒng)的最佳性能。

三、傳統(tǒng) VOCs 降解技術剖析

（1）吸附技術

      吸附技術是利用吸附劑對 VOCs 的吸附作用，將其從廢氣中分離。常用吸附劑有活性炭、分子篩、活性氧化鋁等，其中活性炭因具有豐富孔隙結構、巨大比表面積（可達 1000-3000m2/g），對多種 VOCs 展現(xiàn)出良好吸附性能，在工業(yè)中應用廣泛。

       在實際運行時，含 VOCs 廢氣通過填充有吸附劑的吸附床，VOCs 分子在范德華力、化學鍵力等作用下被吸附于吸附劑表面。然而，吸附劑吸附容量有限，隨著吸附進行，吸附劑逐漸飽和，需進行再生處理。常見再生方式有熱再生（通過加熱使 VOCs 脫附）、降壓再生（降低壓力實現(xiàn)脫附）及置換再生（用惰性氣體置換出 VOCs）。但熱再生能耗較高，且多次再生易使吸附劑結構受損、吸附性能下降；降壓再生設備復雜，成本較高；置換再生可能引入新雜質。此外，吸附技術對高濃度、高流量廢氣處理效果欠佳，處理效率通常在 50%-80% 之間。

（2）燃燒技術

      燃燒技術通過高溫氧化將 VOCs 轉化為二氧化碳和水，實現(xiàn)廢氣凈化，主要包括直接燃燒、催化燃燒、蓄熱式燃燒（RTO）與蓄熱式催化燃燒（RCO）。

      直接燃燒適用于高濃度（通常 VOCs 體積分數(shù)大于 1%）、高熱值廢氣，將廢氣直接引入焚燒爐，在高溫（800-1200℃）下燃燒分解。該方法降解，但能耗巨大，且高溫易產生氮氧化物等二次污染物。

      催化燃燒借助催化劑降低反應活化能，使 VOCs 在較低溫度（250-500℃）下燃燒。常用催化劑有貴金屬催化劑（如 Pt、Pd）和非貴金屬氧化物催化劑（如 MnOx、CoOx）。貴金屬催化劑活性高、起燃溫度低，但價格昂貴、易中毒；非貴金屬氧化物催化劑成本低，但活性相對較弱，需較高反應溫度。催化燃燒處理效率可達 95% 以上，但對廢氣成分、濃度穩(wěn)定性要求較高。

       RTO 和 RCO 則通過蓄熱體回收燃燒尾氣中的熱量，預熱進氣，提高能源利用率。RTO 利用陶瓷蓄熱體交替蓄熱、放熱，熱回收效率可達 90% 以上；RCO 在此基礎上引入催化劑，進一步降低反應溫度，減少能耗。不過，RTO 和 RCO 設備投資大，對設備密封性、維護要求高，運行過程中還可能因蓄熱體堵塞、催化劑失活等問題影響處理效果。

（3）生物處理技術

      生物處理技術利用微生物（如細菌、真菌）的代謝作用將 VOCs 轉化為無害的二氧化碳、水和生物質。根據(jù)微生物存在形式，可分為生物濾池、生物滴濾塔和生物洗滌器。

      在生物濾池中，廢氣通過填充有微生物載體（如堆肥、木屑、活性炭等）的濾床，VOCs 被微生物吸附、吸收，經(jīng)代謝作用分解。生物滴濾塔則通過循環(huán)噴淋營養(yǎng)液，為微生物提供適宜生存環(huán)境，強化對 VOCs 的降解。生物洗滌器是將廢氣與含有微生物的洗滌液在反應器內充分接觸，實現(xiàn) VOCs 的去除。

      生物處理技術具有成本低、運行穩(wěn)定、無二次污染等優(yōu)點，適用于中低濃度（通常 VOCs 質量濃度小于 1000mg/m3）、易生物降解的廢氣處理。但該技術對廢氣成分要求苛刻，鹵代烴、芳烴等難降解 VOCs 會抑制微生物活性；同時，微生物生長對溫度、pH 值、營養(yǎng)物質等環(huán)境條件敏感，需嚴格控制，處理效率一般在 60%-90% 之間，處理高濃度、高流量廢氣時占地面積大。

（4）冷凝與溶劑回收技術

      冷凝技術依據(jù)物質在不同溫度下飽和蒸氣壓差異，通過降低溫度或增加壓力，使 VOCs 從氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，實現(xiàn)分離回收。該方法常用于高濃度、高沸點 VOCs 廢氣的預處理，常與吸附、燃燒等技術聯(lián)用，提高整體處理效率。

      溶劑回收技術則是利用特定溶劑對 VOCs 的選擇性溶解，將 VOCs 從廢氣中萃取出來，再通過蒸餾等方式分離溶劑與 VOCs，實現(xiàn) VOCs 回收利用。此技術適用于有回收價值的 VOCs 處理，如苯、甲苯、二甲苯等有機溶劑廢氣。但冷凝技術能耗高，對設備耐壓、制冷要求高；溶劑回收技術需選擇合適溶劑，且存在溶劑揮發(fā)、損耗及二次污染風險，設備投資與運行成本較高。

四、光熱催化與傳統(tǒng)技術的性能對比

（1）降解效率對比

      在降解效率方面，光熱催化反應系統(tǒng)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。針對甲苯這一典型 VOCs，傳統(tǒng)熱催化技術中，非貴金屬催化劑起燃溫度常高于 300℃，在 250℃時甲苯轉化率僅為 30%-50%；貴金屬催化劑雖起燃溫度可降至 250℃左右，但在該溫度下轉化率一般在 60%-80%。而光熱催化體系下，如基于三維 CoO/MDCF 的光熱催化劑，在模擬太陽光輻照下，164℃時甲苯轉化率即可達 90%，較傳統(tǒng)熱催化大幅降低反應溫度，提升降解效率。

      光催化技術雖能在室溫下利用光能降解 VOCs，但受限于光生載流子復合率高、量子效率低等問題，對甲苯等難降解 VOCs，在相同反應時間內降解效率遠低于光熱催化。例如，以 TiO?為光催化劑，在紫外光照射下，反應 1 小時甲苯降解率僅為 40%-60%，而同等條件下光熱催化體系甲苯降解率可達 80% 以上。

      吸附技術受吸附劑吸附容量限制，對高濃度 VOCs 廢氣，隨著吸附進行，吸附效率快速下降；生物處理技術對復雜成分、高濃度 VOCs 降解效率較低，通常難以達到光熱催化的高效降解水平。

（2）能耗對比

      能耗上，傳統(tǒng)燃燒技術能耗高。直接燃燒需將廢氣升溫至 800-1200℃，催化燃燒也需 250-500℃，加熱廢氣消耗大量能源。RTO 和 RCO 雖通過蓄熱回收部分熱量，但設備運行仍需消耗可觀能量維持反應溫度。

      吸附技術再生過程（如熱再生）能耗較大，多次再生成本顯著增加；生物處理技術雖運行能耗相對較低，但處理高濃度、高流量廢氣時，因處理效率低，單位廢氣處理能耗仍較高。

      光熱催化反應系統(tǒng)借助太陽能驅動，只需少量外部能量輔助（如維持反應裝置內氣體流動），在溫和反應溫度下即可高效降解 VOCs。研究表明，處理相同濃度、流量的 VOCs 廢氣，光熱催化能耗僅為傳統(tǒng)熱催化的 30%-50%，展現(xiàn)出良好的節(jié)能潛力。

（3）穩(wěn)定性與壽命對比

      傳統(tǒng)技術中，吸附劑易因吸附飽和、雜質污染等失活，多次再生后吸附性能逐漸下降，使用壽命一般在 1-3 年；燃燒技術中，催化劑易因高溫燒結、中毒（如接觸含硫、含氯化合物）等導致活性降低，需定期更換，增加運行成本；生物處理技術受環(huán)境因素（溫度、pH、廢氣成分）影響大，微生物易失活，系統(tǒng)穩(wěn)定性欠佳。

      光熱催化反應系統(tǒng)中，若光熱催化劑設計合理，選擇熱穩(wěn)定性好、抗中毒能力強的材料，可具備良好穩(wěn)定性與較長使用壽命。例如，一些基于碳基復合材料的光熱催化劑，在連續(xù)運行 1000 小時后，對 VOCs 降解效率仍能維持在 80% 以上，穩(wěn)定性優(yōu)于部分傳統(tǒng)技術。

（4）成本效益對比

      從設備投資看，光熱催化反應系統(tǒng)需配備光源、特定光熱催化劑及反應裝置，初期投資相對較高；傳統(tǒng)吸附、生物處理設備投資較低，燃燒技術中，直接燃燒設備簡單，投資較小，RTO 和 RCO 設備復雜，投資較大。

      運行成本上，光熱催化因能耗低，長期運行成本低于傳統(tǒng)熱催化、吸附再生等技術；生物處理技術運行成本雖低，但處理效率限制了其在高濃度廢氣處理中的應用，綜合成本優(yōu)勢不明顯。在有 VOCs 回收需求場景下，冷凝與溶劑回收技術若能有效回收有價值物質，可產生一定經(jīng)濟效益，但設備運行與維護成本也較高。

      綜合考慮，光熱催化在大規(guī)模、高濃度 VOCs 治理中，憑借高效、低耗優(yōu)勢，長期成本效益更具競爭力，且隨著技術發(fā)展、光熱催化劑成本降低，成本優(yōu)勢將進一步凸顯。

五、結論與展望

      本文全面對比光熱催化反應系統(tǒng)與傳統(tǒng) VOCs 降解技術，光熱催化憑借光生載流子與熱效應協(xié)同，在降解效率、能耗、穩(wěn)定性及成本效益等方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，尤其在中高溫、復雜成分 VOCs 治理中潛力巨大。

      然而，光熱催化技術仍面臨挑戰(zhàn)。一方面，需深入研究光熱協(xié)同機制，開發(fā)高效、穩(wěn)定、低成本光熱催化劑，拓寬光響應范圍至全太陽光譜，提升光熱轉換效率；另一方面，優(yōu)化反應系統(tǒng)設計，提高光源利用效率，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性。

      未來，隨著材料科學、光化學、催化科學等多學科交叉融合，光熱催化有望突破技術瓶頸，實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應用，與傳統(tǒng)技術協(xié)同互補，為 VOCs 污染治理、大氣環(huán)境改善提供更高效、可持續(xù)的解決方案，助力全球碳中和目標達成。

產品展示

      將太陽能轉化為熱能，并將其轉化為化學能的催化反應，光熱催化反應。根據(jù)能量轉換路徑以及熱能和電子激發(fā)起到催化反應作用程度的不同，將光熱催化分類為光輔助熱催化，熱輔助光催化以及光熱協(xié)同催化。

      SSC-PTCR光致熱催化反應系統(tǒng)，實現(xiàn)了雙光源照射，提高了光致熱的能量輸出，加快光催化實驗的進度，可以實時監(jiān)測催化劑溫度；配套的質量流量PLC控制系統(tǒng)，實現(xiàn)各種反應氣體的任意匹配，更有利于實驗的調整，配方的研發(fā)。

     SSC-PTCR光致熱催化反應系統(tǒng)，配合控溫和磁力攪拌器，直接升級為釜式光熱催化系統(tǒng)，可以實現(xiàn)一機多用，多種體系下評價催化劑的活性。

產品優(yōu)勢：

1)、自主研發(fā)控溫系統(tǒng)，杜絕溫度過沖；

2)、配置藍寶石晶體窗口，具有高強度、高硬度，耐高溫、耐磨擦、耐腐蝕，透光性能好、電絕緣性能優(yōu)良；

3)、內部磁力攪拌；

4)、內含粉末催化劑放置平臺，氣體與催化劑充分接觸；

5)、釜體內部即可實現(xiàn)氣固反應，也可以實現(xiàn)氣液反應；

6)、實現(xiàn)在高壓（<5MPa）高溫(<250℃)下的材料催化；

7)、法蘭雙線密封技術，解決密封泄漏問題；

8)、配置高質量針型閥、三通球閥、壓力表，實現(xiàn)了靈活控制釜體壓力；

9)、配置安全卸荷閥，給實驗安全環(huán)境又添了一道安全；

10)、釜內配置有報警，當出現(xiàn)超溫、超壓情況時，自動切斷加熱電源，讓操作更安全；

11)、反應釜還采用雙線槽柔性密封，良好的密封結構解決了攪拌存在的泄露問題，使整個介質和攪拌部件處于密封的狀態(tài)中進行工作，因此更適合用于各種易燃易爆、貴重介質及其它滲透力強的化學介質進行攪拌反應。