催化燃燒技術(shù)處理有機(jī)廢氣研究進(jìn)展

李英杰，李建軍

(四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065)

催化燃燒技術(shù)處理有機(jī)廢氣研究進(jìn)展

李英杰，李建軍*

(四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065)

揮發(fā)性有機(jī)污染物(VOCs)主要來(lái)源于工業(yè)生產(chǎn)，不僅對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康造成危害，還會(huì)造成浪費(fèi)。催化燃燒技術(shù)是近年來(lái)興起的污染治理技術(shù)，具有費(fèi)用低、凈化效率高，無(wú)二次污染等特點(diǎn)。本文介紹了催化燃燒技術(shù)所用催化劑種類、催化燃燒不同工藝的特點(diǎn)，并對(duì)催化燃燒技術(shù)在有機(jī)廢氣處理方面的應(yīng)用進(jìn)行展望。

有機(jī)廢氣；催化燃燒；工藝

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，化工企業(yè)的新起導(dǎo)致了大量工業(yè)有機(jī)廢氣的排放。根據(jù)國(guó)家空氣質(zhì)量提高聯(lián)防聯(lián)控的規(guī)劃，揮發(fā)性有機(jī)污染物VOCs的控制工作已列為聯(lián)防聯(lián)控工作的重點(diǎn)任務(wù)之一[1]。而催化燃燒作為控制VOCs污染的主要技術(shù)，具有反應(yīng)條件溫和、操作條件容易控制、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，尤其是在難生物降解的VOCs污染控制方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，受到研究者的廣泛重視。本文主要對(duì)催化燃燒技術(shù)中所用催化劑種類、工藝特點(diǎn)進(jìn)行介紹，并對(duì)其在有機(jī)廢氣治理中的應(yīng)用和發(fā)展進(jìn)行展望。

1 催化劑選型

催化燃燒中，與直接燃燒相比催化劑的存在使有機(jī)物在熱破壞時(shí)僅需更少的保留時(shí)間和更低的溫度[4]，催化濃度范圍廣，幾乎可以處理所有的烴類有機(jī)廢氣及惡臭氣體，凈化率一般都在95%以上，催化劑的種類按活性成分不同大體可分為三大類。

1.1 貴金屬催化劑

Pt、Pa、Ru等貴金屬對(duì)烴類及其衍生物的氧化都具有很高的催化活性，且適用范圍廣、催化劑壽命長(zhǎng)、便于回收，因次在處理有機(jī)廢氣中較為常用。

施春苗等[5]用乙二醇二甲醚蒸氣和甲苯蒸氣作為催化燃燒氣，探究了3種不同鈀-鎳合金負(fù)載型催化劑對(duì)有機(jī)廢氣催化燃燒效果的影響，并用SEM和EDS對(duì)催化劑進(jìn)行表征，結(jié)果顯示，鈀含量的改變對(duì)催化劑的活性影響很大，0.5%和0.8%Pd/Ni合金基燃燒催化劑在210～240℃溫度區(qū)間可使1600mg/m3的甲苯廢氣和40000mg/m3的乙二醇二甲醚廢氣轉(zhuǎn)化率達(dá)95%，具有優(yōu)良的催化燃燒效果。王筱喃等[6]采用FRIPP自主研發(fā)的Pt，Pd催化燃燒催化劑對(duì)單組分及多組分關(guān)鍵有機(jī)模擬廢氣進(jìn)行了催化燃燒實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用Pt/Pd催化燃燒催化劑處理的含苯系物有機(jī)廢氣的最佳溫度為250℃，床層空速為20000h-1，含苯系物的有機(jī)廢氣的去除率可達(dá)97%以上。

1.2 過(guò)渡金屬氧化物催化劑

過(guò)渡金屬氧化物作為一種氧化性較強(qiáng)的催化劑，對(duì)CH4等烴類和CO均具有較高的催化活性，同時(shí)催化劑的成本較低，常見(jiàn)的有CoOX、CuOX和MnOX等催化劑。

萬(wàn)義玲等[7]用檸檬酸(CA)溶膠-凝膠法制備了不同錳Mn/(Ce+Mn)物質(zhì)的量比的CeO2-MnOx催化劑，在氯乙烯有機(jī)廢氣的催化燃燒模型反應(yīng)中，研究了制備條件和反應(yīng)條件對(duì)制備CeO2-MnOx催化劑性能的影響，結(jié)果表明當(dāng)CA：Mn：Ce=0.3：0.5：0.50時(shí)，制備的CeO2-MnOx催化劑活性最好，在10000～30000h-1床層空速和0.05%～0.15%的低濃度氯乙烯催化燃燒反應(yīng)中均具有良好的效果。大連理工大學(xué)研制的含MnO2催化劑，在一定的條件下可以脫除CH3OH蒸氣，并對(duì)C2H4O、C3H6O、C6H6蒸氣的清除也有很好效果[8]。

1.3 復(fù)合氧化物催化劑

復(fù)氧化物相較于單一氧化物由于其各組分間存在結(jié)構(gòu)或電子調(diào)變等相互作用，其催化活性較高。主要有以下兩大類[9]：一、鈣鈦礦型復(fù)氧化物：稀土與過(guò)渡金屬氧化物形成的具有天然鈣鈦礦型復(fù)合氧化物，一般通式為ABO3，常見(jiàn)的有LaMnO3和BaCuO2等；二、尖晶石型復(fù)氧化物：通式為AB2X4，是一種重要的復(fù)氧化物結(jié)構(gòu)類型，尖晶石型催化劑具有突出的深度氧化催化活性。

黃海鳳等[10]采用ZrO2、SiO2、MgO、Al2O3和TiO2和為載體，通過(guò)浸漬法制備了三元復(fù)合氧化物Cu-Mn-Ce(CMC)的負(fù)載型催化劑，以甲苯和丙酮作為催化燃燒氣，研究了該催化劑的催化燃燒活性。結(jié)果表明，純CMC催化劑的鈰基固溶體結(jié)構(gòu)具有良好的催化活性，其中TiO2和ZrO2作為載體時(shí)，CMC的高溫?zé)岱€(wěn)定性最好，這是由于TiO2和ZrO2較好的保持了該催化劑的活性固溶體結(jié)構(gòu)；而當(dāng)SiO2和Al2O3作為載體時(shí)，其表面羥基和大比表面積不利于CMC活性固溶體結(jié)構(gòu)的形成，以MgO作為載體時(shí)，Mn，Cu等過(guò)渡金屬其發(fā)生相互作用而使CMC的活性結(jié)構(gòu)被破壞，催化活性降低。

2 催化燃燒工藝

2.1 工作原理

催化燃燒是一個(gè)氣-固相催化反應(yīng)過(guò)程，其反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是活性氧參與的深度氧化作用。在催化燃燒過(guò)程中，催化劑具有吸附作用，同時(shí)可以降低反應(yīng)的活化能，通過(guò)將反應(yīng)物分子富集于催化劑表面從而提高反應(yīng)速率，加快反應(yīng)進(jìn)程。利用催化劑的優(yōu)異性能，可使有機(jī)廢氣在較低的起燃溫度(200～300℃)下發(fā)生無(wú)焰燃燒，并氧化分解為CO2和H2O，同時(shí)放出大量熱能[11]。并且由于催化劑具有選擇性催化作用,可以限制燃料中含氮化合物(RNH)的氧化過(guò)程,使其在反應(yīng)中生成分子氮(N2)[12]。

2.2 主要工藝

目前所用的催化燃燒工藝主要包括固定床催化燃燒工藝、流化床催化燃燒工藝、整體式催化燃燒工藝、流向變換催化燃燒工藝四大類，各工藝所用催化劑類型和對(duì)有機(jī)廢氣的處理效果、工藝特點(diǎn)如表1所示。

表1 催化燃燒主要工藝類型

3 展望

催化燃燒技術(shù)具有燃點(diǎn)低，能耗低的特點(diǎn)，可大大增加低濃度有機(jī)廢氣的處理效率，在催化反應(yīng)、化工領(lǐng)域、自動(dòng)檢測(cè)和環(huán)境工程控制等領(lǐng)域均具有重要應(yīng)用。但由于催化劑容易中毒，壽命等因素使其在有機(jī)廢氣處理中的應(yīng)用具有一定局限性。因此大力研發(fā)新型催化燃燒催化劑，研制具有大比表面積、低起燃點(diǎn)、大空速及抗毒能力強(qiáng)的非貴金屬催化劑，使其能夠在低溫條件下同時(shí)降解多種不同濃度有機(jī)廢物，將成為今后研究工作的重點(diǎn)。同時(shí)催化燃燒裝置應(yīng)向整體型、節(jié)能型發(fā)展，以降低造價(jià)和使用費(fèi)。

[1] 中國(guó)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)廢氣凈化委員會(huì).我國(guó)有機(jī)廢氣治理行業(yè)2011年發(fā)展綜述[C]. 中國(guó)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告 , 2012 :33-37.

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(本文文獻(xiàn)格式：李英杰，李建軍.催化燃燒技術(shù)處理有機(jī)廢氣研究進(jìn)展[J].山東化工，2017，46(12)：66-67，69.)

Progress on Catalytic combustion Method for Disposal of Organic Waste Gas

LiYingjie，LiJianjun*

(Sichuan University，Chengdu 610065，China)

Volatile organic compounds(VOCs)mainly come from industrial production.It is not only harm to ecological environment and human health，but also cause waste.Catalytic combustion method is a novel pollution control technology raised in recent years,which has characteristics of lower cost and higher removal efficiencies,without any secondary pollution.Catalyst species and the characteristics of catalytic combustion technology were introduced in this paper,And looking forward to the catalytic combustion technology in the application of organic waste gas treatment.

organic waste gas；catalytic combustion；technology

2017-04-20

國(guó)家自然科學(xué)基金(51378325)

李英杰(1994—)，女，四川人，學(xué)士，從事大氣污染相關(guān)研究；通信作者：李建軍。

X701

A

1008-021X(2017)12-0066-02