催化燃燒去除VOCs污染物的最新進展

宋偉才

摘 要：目前能夠有效處理VOCs（揮發性有機物）的技術是催化燃燒，本篇文章主要從催化劑載體、催化劑活性組分、水蒸汽的影響、有效組分顆粒大小和催化燃燒反應中的積碳等內容，總結了近些年催化燃燒去除VOCs的最新進展。根據分析可得，雙組分貴金屬催化劑和選擇有效的載體是貴金屬催化劑研究主要研究的重點；而非金屬催化劑的研究就主要集中在鈣鈦礦、過渡技術復合氧化物及尖晶石型等催化劑的研制，另外還有載體對催化燃燒VOCs反應活性的影響及這些活性組分粒徑大小；除此之外，催化燃燒VOCs的反應還會受到催化劑積碳識貨和水蒸汽等問題的影響。希望通過本文的研究分析，可以為相關的從業人員提供一定參考借鑒。

關鍵詞：催化燃燒；揮發性有機化合物；進展

引言：VOCs（揮發性有機物）指的是在常壓下沸點低于260℃，常溫下飽和蒸汽壓高于70Pa的有機化合物，如芳香烴、烯烴、醇類等，我們日常生活中比較常見的有裝修材料、建筑材料、機動車尾氣、廚房油煙等排放源；而在工業主要有石化工業和化工兩種排放源，油漆、涂料和印刷工業的生產和使用。VOCs（揮發性有機物）大部分都是有氣味、有毒，甚至部分的還有致癌的風險，對人類的健康會產生巨大的威脅。近些年來，VOCs已經成為我國污染源的主要組成，相關的危害事故也在不斷出現，目前研究VOCs凈化處理技術已經是社會關注的重點。

一、催化燃燒催化劑活性組分

一般情況下，工業上的催化劑都是由助劑、活性成分和載體等組成，其中活性組分和它的顆粒大小、分布、催化劑載體對催化的壽命和效果具有比較大的影響。貴金屬和非貴金屬是用于催化燃燒VOCs的催化劑的兩個活性成分，其中貴金屬主要是應用于低溫催化燃燒，其優點是良好的抗硫性、較高的活性，缺點是價格比較高、資源短缺、活性組分容易燒結和揮發，容易引起氯中毒；非貴金屬氧化物催化劑則包括了尖晶石型、鈣鈦礦型以及符合氧化物催化劑等，相比較貴金屬來說，價格比較低，催化性能也相對比較好。比如，尖晶石型催化劑的低溫活性較為良好；鈣鈦礦型催化劑具有較好的高溫熱穩定性；但是尖晶石型的不足在于催化劑活動比較低，需要比較高的溫度來起燃。

二、水蒸汽對催化燃燒反應的影響

通常情況下，在催化燃燒反應中水蒸汽具有特殊的影響。首先，催化燃燒反應的產物就是水蒸汽；其次，大多數的工業尾氣中都含有水蒸汽。所以，在實際的工藝上，在VOCs廢氣處理的過程中水蒸汽的確有著不可忽視的影響，一般水蒸汽對催化劑活性的影響主要有：使活性成分減少，對于去掉產生的氯氣有良好的效果，減少催化劑表面的VOCs吸附位。需要注意的是，水蒸汽對于不同的催化劑產生影響也會不同。

在CuO/γ-Al2O3 等一些含銅的催化劑上催化燃燒甲苯的過程中，因為甲苯與水蒸汽會產生競爭而導致自身活性的降低，而在去掉水蒸汽之后就會正常，可以看出這種影響是可逆的。而在通入較多的水蒸汽后，會降低ZrO2等催化燃燒三氯乙烯和二氯乙烷的活性，但是對于氧化鈰的催化燃燒影響性對比較小；也可以認為Ce/Zr復合氧化物的表面酸性和氧化還原性影響其吸附水量，對于催化燃燒氯代烴的活性有著一定的影響。但是對于抑制氯代副產物的產生可以通過水的引入可以解決，致使更多的氯化氫和二氧化碳利用氯代烴深度氧化獲得。由此可見，關于減低水蒸汽的影響是目前重點的研究對象，在VOCs催化燃燒的時候，特別是在溫度相對比較低的催化燃燒條件下，水蒸汽所產生的作用是一個相對比較復雜的現象。因此，VOCs催化燃燒處理設計在工業應用中應該重視水蒸汽對此的影響。

三、催化燃燒中的積碳問題以及反應條件的影響

在VOCs催化燃燒的過程中有時會產生大量的含硫、碳、氯的副產物，會與催化劑活性成分發生化學反應或者在催化劑表面堆積，導致催化劑中毒失活。而面對這種情況，一般可以采用選擇合適的催化劑載體，改變催化劑活性成分等方式來提高抗毒性。

催化劑活性下降的重要因素是催化劑表面堆積大量的碳物質，也就是我們所說的積碳，積碳的生成原因還有在相同催化劑載體上負載不同的活性成分。根據相關的研究，不同的Cu含量的CuNaHY分子篩催化劑在一百五十攝氏度和五百攝氏度處理甲苯后，發現分析篩孔內沉積的焦炭組成為含氧的芳香碳氫化合物和芳香性碳氫化合物。Cr浸漬膨潤土的催化劑具有良好的二甲苯和氯苯的催化燃燒活性，但是在六百攝氏度的反應下，表面會呈現黑顏色，依據進一步的TGA（熱重分析），Cr浸漬膨潤土催化劑表面有堆積大量的碳物質，因而解釋失活機理是因為Cr和積碳反應而生成的揮發性的CrO2Cl2。在相關的報道中，關于有效降低積碳的生產可以利用選擇合適的催化劑載體來實現。另外，導致催化劑活性下降的原因包括了處理含硫的VOCs中所產生的含硫沉積物。同時，在實際工藝上，對催化燃燒反應比較大的是反應條件，所以需要重視和加以考慮，根據Li等制備了一系列催化劑，其中反應的溫度大概為三百二十攝氏度的時候，甲苯轉化率為百分之九十五點四，并且該催化劑的熱穩定性相對比較高。與此同時，他們也對焙燒溫度以及反應溫度、進料濃度和空速等操作條件甲苯催化燃燒活性的影響。根據實驗數據分析，催化活性受焙燒溫度的影響比較大，在八百攝氏度下焙燒厚，其活性會急劇下降，另外操作條件也會對其有比較明顯的影響。

結束語：總而言之，隨著環境問題的日益嚴重，VOCs所引起的環境問題和健康問題受到了社會的廣泛關注，所以對VOCs的凈化處理技術研究是社會可持續發展的必然選擇。因而，催化燃燒技術作為目前去除VOCs的有效措施，具有十分良好的應用前景，由于催化燃燒機技術涉及的內容較多，在研究中還是需要結合反應機理和實際應用的工藝條件開展，促使相關工藝的完善和具有高穩定性、高活性以及抗中毒性的催化材料。

參考文獻

[1]黎維彬，龔浩.催化燃燒去除VOCs污染物的最新進展[J].物理化學學報，2015，26（4）：885-894.

[2]潘紅艷，張煜，林倩，等.催化燃燒VOCs用非貴金屬催化劑研究新進展[J].化工進展，2016，30（8）：1726-1732.

（作者單位：廣東昊霖環保科技有限公司）