涂志燕
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘 要： 在分析現(xiàn)有油煙凈化技術優(yōu)缺點的基礎上，對近幾年吸附及催化法治理餐飲油煙污染物以及揮發(fā)性的研究進行了綜述，并對這些方法在油煙凈化方面的應用前景做出展望。
關鍵詞：餐飲油煙;；VOCs; 吸附；催化氧化；凈化技術；餐飲油煙監(jiān)測云平臺；安科瑞
0. 前言
餐飲油煙( cooking oil fumes，COFs) 指烹調過程中食用油揮發(fā)后凝結以及食材高溫后產(chǎn)生的油煙霧，包含很多種有毒化學成分，不僅會危害烹調者的健康，還會對周圍環(huán)境造成污染。烹飪溫度、食用 油種類、添加食材種類以及烹飪方式的不同都會影響油煙的組成。餐飲油煙污染物主要包括顆粒物以 及揮發(fā)性物2大類。近兩年來，各地陸續(xù)出臺了油煙治理新標準，不僅收緊了油煙、顆粒物排放限值，還增加了非甲烷總烴( NMHC) 的排放限制。因此，開發(fā)新型餐飲油煙凈化技術對于保護大氣環(huán)境、保障人體健康具有非常重要的意義。本文中首先對各類凈化技術進行對比分析其優(yōu)缺點，在此基礎上對吸附及催化技術凈化揮發(fā)性物進行了分析，并對應用于油煙污染物的凈化方面做出了展望。
1.餐飲油煙凈化技術對比分析
1.1 機械法
機械法指使油煙氣流運動方向發(fā)生強烈轉折，油煙氣體中的顆粒物在慣性作用下到達沉積面( 碰撞面) 而從氣流中脫離出來。通常，機械式凈化設備采用設置折板式、濾網(wǎng)式、蜂窩波紋式等濾油柵 ( 金屬網(wǎng)罩、格柵) ，使得油煙顆粒物與格柵碰撞、黏附而從氣流中分離去除。濾油柵一般安裝于集 氣罩內或集成于其他凈化設備的前端，以減輕其他設備的清洗維護壓力。該法具有裝置簡單、阻力小、 造價低等優(yōu)勢，被廣泛應用于家用廚房抽油煙機中， 并仍使用于一些老式餐飲業(yè)油煙處理系統(tǒng)中。為了 提高凈化效率，通常采取對集油板、外 形/尺 寸、增設吸油煙通道以及擴散吸油煙范圍等改進措施。但該法對小粒徑油煙顆粒物的捕集效率低，無除味功能，油煙凈化率通常為50% ～70%。 此外，擋板濾網(wǎng)易破裂，廢氣直接排放，且由于油煙中顆粒物黏度很大，清洗維護工作量較大，因此，該法適于油煙污染物的預處理或凈化效率要求較低的場合。
1.2 洗滌吸收法
洗滌吸收法指采用水或其他洗滌劑，以噴頭噴 灑的方式形成水膜、水霧來吸收油煙。油煙粒子與噴嘴噴出的水霧、水膜相接觸，經(jīng)過相互的慣性碰撞、滯留、細微顆粒的擴散和相互凝聚等作用后，隨水滴流下，使油煙顆粒從氣流中分離出來。該法所需設備結構簡單、投資少、占地小、運行費用低、維修管理方便。但存在二次污染、阻力大、對亞微米級顆粒物的凈化率低、需對產(chǎn)生的油污水進行處理等缺點。
1.3 靜電法
靜電法指電場在外加高壓的作用下，負的金屬絲表面或附近產(chǎn)生粒子風，油煙粒子在短的時間內因碰撞俘獲氣體離子而荷電，受電場力作用向正集塵板運動。其凈化機理與其他方法的區(qū)別在于: 分離力是靜電力，直接作用在粒子上，而非作用于氣流上，因此具有能耗低，阻力小的特點。靜電法是油煙凈化處理的傳統(tǒng)方法之一，技術手段比較成熟，應用廣泛，靜電式油煙凈化設備投資少、占地小、無二次污染，且由于易于捕捉粒徑較小的粉塵，對油煙中的顆粒物凈化效率高，可達90%～98%，但對油煙中的氣態(tài)污染物去除效果一般，不能滿足餐飲業(yè)污染物排放新標準中對非甲烷總烴的凈化要求。
1.4光催化法
光催化法指利用特殊波長紫外燈發(fā)出的紫外線對油煙分子進行照射達到油煙分子的凈化方式。利用紫外線－C波段的光來改變油質的分子鏈，同時這種紫外線與空氣中的氧反應后產(chǎn)生臭氧，臭氧將油質分子冷燃燒后生成水和二氧化碳，同時煙道中的異味也隨之不見。餐飲業(yè)污染物排放標準收緊后，紫外光催化法( UV法) 成為凈化氣態(tài)污染物的熱門處理方法之一。很多廠家( 如帥康、廣東銳 士達、四川奧潔、深圳天瀧等) 開發(fā)的油煙凈化設備 均采用UV法。但運用該技術需要至少30m長的管道，便于安裝紫外光管。此外，紫外光致癌，密封嚴實，且會帶來臭氧污染，凈化效率較低。
1.5過濾法
過濾法指油煙廢氣先經(jīng)過一定數(shù)目的金屬格柵，使得大顆粒污染物被阻截；而后煙氣經(jīng)過纖維墊等濾料，顆粒物被擴散、截留繼而被脫除。通常選用的濾料材料為吸油性能高的高分子復合材料。過濾法設備投資少、運行費用低、無二次污染、維修 管理方便，但由于濾料阻力很大且濾料需更換，使其應用受到局限。因此，增加濾料的使用壽命并提高過濾效率成為目前的研究方法。值得注意的是，過濾法作為油煙的預處理裝置具有一定的可行性，但對VOCs凈化效果差，需在過濾段下游增加VOCs凈化段; 同時還需考慮濾料的成本以及重 復?利用問題。
1.6 生物法
生物法本質為吸收傳質過程與生物氧化過程相結合的過程。廢氣凈化過程的實質是利用微生物的代謝活動將有害物質轉變?yōu)楹唵蔚臒o機物( 如 CO2 和 H2O) 及細胞質等。氣態(tài)污染物同水接觸并溶解于水中( 即由氣膜擴散進入液膜) ；溶解于液膜中的污染物在濃度差的推動下，進一步擴散到填料表面附著的生物膜層，被其中的微生物捕獲、吸收。相比于其他方法，生物法可以解決多組分污染物間凈化效率低等技術難題，實現(xiàn)復雜、多組分的油煙污染物去除。同時，可以針對較難降解的特征污染物，選育具有高降解的專屬菌種，并基于微生物的代謝規(guī)律，優(yōu)化調控菌群結構，構建復合微生物菌劑，實現(xiàn)油煙生物凈化裝置的穩(wěn)定運行。但是該法存在菌種選育耗時長、受煙氣溫 濕度影響大、啟動時間長、對成分適應性需考察等問題，因此，其應用在一定程度上受到限制。
1.7 吸附法
吸附法指利用吸附介質(炭等) 吸附油煙中的污染物，從而達到凈化油煙污染物的效果。該法不僅能去除污染物，還可對油煙的氣味有明顯的凈化作用，且設備結構簡單，油煙去除率高。吸附法設備運行初期效果好，隨運行時間變長，油煙開始附著在吸附質上，吸附層逐漸增厚使吸附能力逐漸下降，運行阻力的加大致使費用增加，且吸附劑需要定期處理和更換，增加了運行成本。
1.8燃燒法
燃燒法指利用高溫燃燒所產(chǎn)生的熱量進行氧化反應，把油煙廢氣中的污染物質轉化為 CO2和H2O等物質，從而達到凈化目的。燃燒法包括直接燃燒法和催化燃燒法。對于直接燃燒法，國外采用此種技術較多，油煙中物質燃燒較*，熱效率高，油煙凈化效率高。但設備成本及運行、維修費用較高，不適用于中小型的餐飲單位和家用，適合大型油炸企業(yè)和餐飲業(yè)。催化燃燒法是利用催化劑降低氧化反應能和起燃溫度，使得反應物*氧化生成 CO2和H2O，從而達到油煙凈化目的的方法。通常與吸附法協(xié)同凈化VOCs氣態(tài)污染物，處理能力強，無二次污染，產(chǎn)生的熱量可回收利用。一般采用陶瓷或金屬蜂窩作為載體進行氧化催化。以上各技術工藝特點對比如表1 所示?？偟目磥?，現(xiàn)有的油煙凈化設備多采用的是機械過濾法、靜 電法、離心法等。這些方法對于油滴、顆粒物具有較好的去除效果，但對VOCs 的去除非常有限；吸附法、氧化法以及生物法雖然對VOCs具有較好的凈化效果，但應用于餐飲油煙凈化的實際應用仍處于技術空白。此外，鑒于餐飲油煙污染物組成復雜，同時含有顆粒物，利用單一技術難以實現(xiàn)多污染物的同時凈化，亟需開發(fā)新型集成油煙處理技術，在凈化油煙顆粒物的同時實現(xiàn)對NMHC的去除。
表 1 不同凈化技術的工藝特點分析對比
2. 吸附/催化法凈化餐飲油煙技術
通過前述各凈化技術的對比可知，現(xiàn)有的油煙 凈化技術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，工業(yè)VOCs凈化技術，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，吸附法設備結構簡單，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修飾降低了傳質阻力，加速吸附過程; 使用K2CO3，促使形成新的分層孔結構，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構保持良好，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) 也被廣泛應用于吸附劑。分子篩因具有規(guī)則的孔道結構、可調變的硅鋁比使其成為疏水吸附材料的重要選擇，已經(jīng)廣泛應用于吸附轉輪濃縮技術中。金屬框架材料( MOFs) 以較大的比表面積、可調節(jié)的孔徑和可修飾性等優(yōu)勢，在VOCs脫除 領域展示出良好的應用前景。從吸附劑角度看，吸附量主要受 MOFs的結構形狀、改性官能團和碳材料摻雜的影響。從吸附質的角度看，吸附量主要受吸附質的結構形狀、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、不同性質的吸附質對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、降低反應溫度、降低能耗的關鍵。工業(yè)VOCs催化燃燒催化劑主要由金屬構成，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、鈷以及復合金屬等，根據(jù)形貌結構則可分為尖晶石結構、核殼結構、三維立體結構以及其他特殊結構類型。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 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( 北京) Li 等及中北大學苗隆鑫等以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*的吸附劑，也是催化劑的載體之一。
2.3 吸附/催化復合技術/材料
餐飲油煙中VOCs成分復雜，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實現(xiàn)對復雜組分的同時凈化。從這個角度來看，單一凈化技術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Yao等將吸附與等離子體技術相結合，開發(fā)堿改性鈷錳固溶體作為復合材料，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、風阻低等特征，將MnO2負載于炭上，使得材料同時具備了*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。因所制備的分子篩材料具有多級孔道結構， 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AcrelCloud-3500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)能夠對企業(yè)餐飲設備的開機狀態(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。平臺預留與其他應用系統(tǒng)、設備交互對接接口，具有很好的擴展性。
3.1 平臺結構
平臺GIS地圖采集餐飲油煙處理設備運行狀態(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)進行提示預警，監(jiān)管部門可迅速進行處理，督促餐飲企業(yè)整改設備，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)，包括設備運行的電流、電壓、功率、耗電量等等，同時結合排煙口的揮發(fā)性物質、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)測設備用來監(jiān)測油煙、顆粒物、NmHc等數(shù)據(jù)
■ 凈化器和風機配合對油煙進行凈化處理，同時對凈化設備的電流、電壓進行監(jiān)測
■ 設備通過4G網(wǎng)絡將采集的數(shù)據(jù)上傳至遠程云端服務器
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，上傳凈化設備對應的運行、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。
(4)隱患管理
系統(tǒng)對采集的告警數(shù)據(jù)分析，產(chǎn)生對應的隱患記錄，派發(fā)、處理隱患，及時處理告警，形成閉環(huán)。
(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)基礎數(shù)據(jù)維護
個人信息、權限維護，企業(yè)信息錄入，對應測點信息錄入等。
(7)數(shù)據(jù)服務
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)絡通訊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌髌脚_。同時，對本地數(shù)據(jù)進行存儲，監(jiān)控現(xiàn)場設備狀態(tài)，提供人機操作界面。
4.結論
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)復合型技術、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特點的基礎上，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，并在此基礎上綜述了國內外關于吸附/催化聯(lián)合降解油煙揮發(fā)性的較新技術研究進展， 旨在為科研工作者開發(fā)新型油煙凈化技術提供一定的借鑒。
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作者簡介：
涂志燕，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)與應用。
聯(lián)系人：王梅
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