催化燃燒在VOCS中治理的運用及研究

柳添輝

廈門科儀檢測技術有限公司

1 引言

VOCs 會給環境和人類帶來極大的危害，因此，社會公眾對其予以了高度的重視。目前，銷毀技術中的催化燃燒法是最為常見的，并且該技術在使用性以及經濟性方面有著更大的優勢。VOCs 污染通過催化劑的治理，能夠得到顯著的改善，因此需要在工況中通過與有機廢氣的結合，對具有高活性、高穩定性等優勢的催化劑進行具有針對性的開發，以此來使大氣環境能夠得到有效地保護。其主要有回收以及銷毀這兩種處理技術。吸附、吸收以及冷凝等在回收技術中較為常見；其中催化燃燒法在回收技術中較為常見。一般來說，100g/m3～2000g/m3是工業VOCs廢氣的濃度區間，催化燃燒法在眾多治理方法中最為經濟有效。由于美國、日本等部分國家有著先進的工業技術，因此大規模的應用了催化燃燒技術，部分石化企業、高等院校以及科研單位在國內也對催化燃燒技術進行了研究，越來越多的人開始對催化燃燒技術引起了關注。

2 燃燒法對揮發性有機廢氣的處理

2.1 直接燃燒法

直接燃燒法就是最初的燃燒技術，就是直接燃燒VOCs，該方法只需要直接在焚燒爐中加入VOCs，就能夠對其進行高溫燃燒，高溫能夠加快VOCs 向CO2和H2O 的轉化速度，其可以達到99%的脫除效率，如果有機廢氣中只含有少量的VOCs，此時就無法進行充分地燃燒，因此，需要做好對相關措施的采取，例如燃燒時對輔料的添加，能夠使VOCs得到完全的燃燒，最終VOCs能夠全部轉變為CO2和H2O，此類CO2和H2O 不會對空氣造成污染。此類方法有著以下優勢：其無須較高的投資費用，并且制備設備并不復雜，操作也較為便捷，然而，對此類燃燒方法的采用需要長期處于＞1100℃的高溫環境下，并且NOx在高溫的環境下更易帶來二次污染[1]。

2.2 催化燃燒法

所謂的催化燃燒法指的就是，將某種催化劑加入反應系統中，通過催化劑的作用，能夠使VOCs 得到完全的反應，進而實現對CO2和H2O 的生成，然后再將其釋放到空氣中。此類催化劑有著以下作用機理：能夠做到對VOCs 燃點的降低。目前所使用的此類催化劑有著較多的類型，此類催化劑中最為常見的就是貴金屬催化劑以及非貴金屬催化劑。例如部分催化劑（如Pt/H－Beta 和PdO/H－Beta 等）在接觸到VOCs 時，對有機物中的氯化烴類的選擇有著較高的要求，以此來促進催化劑對其的催化分解。而相關研究人員表明，通過對催化燃燒法的使用，能夠使部分有機物（如己烷、苯和丙醇等）在Au/TiOxNy 催化劑的作用下得到較高的催化，通過此類催化作用能夠使VOCs 得到充分地燃燒。催化燃燒法相比熱力燃燒法來說，其優勢更不相同，然而催化燃燒法對燃燒溫度的要求更低，這是其的主要特點。由于其對燃燒溫度沒有過高的要求，因此，可以使二次污染物NOx的生成得以避免，能夠對環境起到保護的作用。

表1

3 催化燃燒處理的優勢

3.1 減少對NOx氣體的生成

其對燃燒溫度沒有過高的要求，并且所消耗的能量較少，甚至在起燃溫度下的氧化反應不需要通過外界的傳熱，例如，例如完全氧化后的CH4能夠得到活性組分PdO,Pd甲烷在Al2O3擔載的作用下，在200℃時就能夠發生氧化起燃，通過PdO 對CuO 和Co3O4的擔載，甲烷在300℃左右就能夠發生氧化起燃，而且此類低溫催化燃燒所導致的NOx氣體得生成能夠得以減少。

3.2 更廣泛的使用范圍

通過催化燃燒基本能夠實現對有機廢氣中的烴類以及惡臭氣體的完全處理，其濃度有著廣泛的適用范圍，能夠處理各種復雜成分的有機廢氣。針對部分行業所排放的廢氣，例如涂料以及絕緣材料等，由于其濃度較低、成分復雜并且缺乏回收價值，因此，吸附—催化燃燒法有著更好地處理效果，通常有機廢氣能夠達到95%以上的轉化率。

3.3 合理可行的經濟

其能夠做到對大范圍氧濃度環境的適應，有著較高的凈化效率，并且不會造成二次污染的出現，此外其燃燒較為緩和，無須較高的運轉費用，降低了操作管理的難度，能夠使長期運行的目標得以實現，并且其廢熱具有回收價值，減少了處理所需的成本，使經濟具有了合理性以及可行性。

4 各種VOCs的催化氧化

4.1 飽和烷烴類

碳氫化合物中最為簡單的一種就是飽和烷烴，然而由于化工合成中對其的廣泛應用，導致VOCs排放在每年都有著較大的占比，乙烷、丙烷以及正丁烷等在飽和烴類VOCs 中較為常見。各種類型的飽和烴有著不同的烴毒性，因此給環境帶來的影響也有所不同。目前相關領域從催化氧化方面，對飽和烴進行了廣泛的研究，乙烷、丙烷以及正己烷是最為主要的研究對象。目前貴金屬類催化劑、水滑石類等是VOCs的主要催化處理劑[2]。

目前，研究活動將氧化物中的Mn、Co、Fe、Ni以及Cu作為了主要催化劑，其中活性最強的催化劑是Co類以及Mn類。表面積比較高的是Co3O4，含晶格缺陷最多且鍵能較低的是Co—O，因此其催化活性較強。由于Co3+在比例、還原能力、表面晶格氧含量以及晶格氧轉移能力方面有著更強的優勢，因此，Co3O4在其的作用下能夠擁有更強的催化活性。MnOx有著廣泛的原料來源，并且價格并不高，是眾多可選催化劑中最為理想的一種。由于催化劑有著不同的晶型，因此對丙烷有著不同的吸附能力，活性位點在表面及體相中的數量與其催化活性有著密切的關系。

4.2 不飽和烯烴類

相比飽和烴類來說，工業每年所排放的烯類與烴類一樣，都有著較大的比例。人類以及環境會受到來自大部分常見烴類的危害，其中光化學反應下的丙烯會生成臭氧，因此將其作為了嚴重污染物。不飽和烴類中的乙烯和丙烯有著較大的占比，在近幾年得到了廣泛的關注。

采用共同沉淀法能夠實現對鈷（CMO）的均相制備，其催化活性較為優良。Co2.35Mn0.65O4是催化活性最強的鈣鈦礦型催化劑，然而其活性只是略高于Co3O4。貴金屬催化劑中的負載型對系統的催化作用較強。由于酸堿性、載體以及貴金屬對納米顆粒載體的作用，從活性方面給此類符合催化劑帶來了顯著的影響。

4.3 芳香烴類

工業中對VOCs 芳香烴類的排放，主要涉及了苯、甲苯以及二甲苯等。芳香族化合物對環境有著相當大的危害性，并且毒性和致癌性是其常見的性質。在過去的這幾年時間內，催化氧化中對BTEX 進行了廣泛的研究，其主要涉及了催化劑中的Pt、Pd、Au 以及Ag 這4 種負載型貴金屬，催化劑中的Mn、Cu、Cr、Ni以及Ti 這4 種過渡金屬氧化物，催化劑中的稀土氧化物以及鈣鈦礦等[3]。

5 催化劑載體

催化劑載體的作用十分顯著，催化劑表面是催化燃燒反應的多發部位，因此，催化劑通過載體對活性組分的負載，能夠實現對較大表面比的獲取，不僅能夠減少對活性組分的使用，也可以使表面的催化劑比得到增加，同時能夠使其具有較高的機械強度，Al2O3、TiO2以及SiO2等是最主要的常用金屬氧化物載體類型。

6 結束語

VOCs 污染通過催化劑的治理，能夠得到顯著的改善，因此需要在工況中通過與有機廢氣的結合，對具有高活性、高穩定性等優勢的催化劑進行具有針對性的開發，以此來使大氣環境能夠得到有效地保護。