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      催化燃燒技術處理有機廢氣研究進展

      2020-10-29

      隨著我國經濟的發展,脈沖除塵器化工企業的新起導致了大量工業有機廢氣的排放。根據國家空氣質量提高聯防聯控的規劃,揮發性有機污染物VOCs的控制工作已列為聯防聯控工作的重點任務之一。而催化燃燒作為控制VOCs污染的主要技術,具有反應條件溫和、操作條件容易控制、無二次污染等優點,尤其是在難生物降解的VOCs污染控制方面具有顯著優勢,受到研究者的廣泛重視。本文主要對催化燃燒技術中所用催化劑種類、工藝特點進行介紹,并對其在有機廢氣治理中的應用和發展進行展望。

      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物在熱破壞時僅需更少的保留時間和更低的溫度,催化濃度范圍廣,幾乎可以處理所有的烴有機廢氣及惡臭氣體,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、便于回收,因次在處理有機廢氣中較為常用。

      施春苗等用乙二醇二甲醚蒸氣和甲苯蒸氣作為催燃燒氣,探究了3種不同鈀-鎳合金負載型催化劑對有機廢氣催化燃燒效果的影響,并用SEM和EDS對催化劑進行表征,結果顯示,鈀含量的改變對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℃溫度區間可使1600mg/m3的甲苯廢氣和40000mg/m3的乙二醇二甲醚廢氣轉化率達95%,具有優良的催化燃燒效果。王筱喃等采用FRIPP自主研發的Pt,Pd催化燃燒催化劑對單組分及多組分關鍵有機模擬廢氣進行了催化燃燒實驗,實驗結果表明采用Pt/Pd催化燃燒催化劑處理的含苯系物有機廢氣的適宜溫度為250℃,床層空速為20000h-1,含苯系物的有機廢氣的去除率可達97%以上。

      1.2過渡金屬氧化物催化劑

      過渡金屬氧化物作為一種氧化性較強的催化劑,對CH4等烴類和CO均具有較高的催化活性,同時催化劑的成本較低,防爆除塵器常見的有CoOX、CuOX和MnOX等催化劑。

      萬義玲等用檸檬酸(CA)溶膠-凝膠法制備了不同錳Mn/(Ce+Mn)物質的量比的CeO2-MnOx催化劑,在氯乙烯有機廢氣的催化燃燒模型反應中,研究了制備條件和反應條件對制備CeO2-MnOx催化劑性能的影響,結果表明當CA:Mn:Ce=0.3:0.5:0.50時,制備的CeO2-MnOx催化劑活性比較好,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中均具有良好的效果。大連理工大學研制的含MnO2催化劑,在一定的條件下可以脫除CH3OH蒸氣,并對C2H4O、C3H6O、C6H6蒸氣的清除也有很好效果。

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      1.3復合氧化物催化劑

      復氧化物相較于單一氧化物由于其各組分間存在結構或電子調變等相互作用,其催化活性較高。主要有以下兩大類:一、鈣鈦礦型復氧化物:稀土與過渡金屬氧化物形成的具有天然鈣鈦礦型復合氧化物,一般通式為ABO3,常見的有LaMnO3和BaCuO2等;二、尖晶石型復氧化物:通式為AB2X4是一種重要的復氧化物結構類型,尖晶石型催化劑具有突出的深度氧化催化活性。黃海鳳等采用ZrO2、SiO2、MgO、Al2O3和TiO2和為載體,通過浸漬法制備了三元復合氧化物Cu-Mn-Ce(CMC)的負載型催化劑,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。結果表明,純CMC催化劑的鈰基固溶體結構具有良好的催化活性,其中TiO2和ZrO2作為載體時,CMC的高溫熱穩定性比較好,這是由于TiO2和ZrO2較好的保持了該催化劑的活性固溶體結構;而當SiO2和Al2O3作為載體時,其表面羥基和大比表面積不利于CMC活性固溶體結構的形成,以MgO作為載體時,Mn,Cu等過渡金屬其發生相互作用而使CMC的活性結構被破壞,催化活性降低。

      2.催化燃燒工藝

      2.1工作原理

      催化燃燒是一個氣-固相催化反應過程,其反應的實質是活性氧參與的深度氧化作用。在催化燃燒過程中,催化劑具有吸附作用,同時可以降低反應的活化能,通過將反應物分子富集于催化劑表面從而提高反應速率,加快反應進程。利用催化劑的優異性能,可使有機廢氣在較低的起燃溫度(200~300℃)下發生無焰燃燒,并氧化分解為CO2和H2O,同時放出大量熱能。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)的氧化過程,使其在反應中生成分子氮(N2)。

      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有機廢氣的處理效果、工藝特點如表1所示。

      3.展望

      催化燃燒技術具有燃點低,能耗低的特點,可大大增加低濃度有機廢氣的處理效率,在催化反應、化工領域、自動檢測和環境工程控制等領域均具有重要應用。但由于催化劑容易中毒,壽命等因素使其在有機廢氣處理中的應用具有一定局限性。因此大力研發新型催化燃燒催化劑,研制具有大比表面積、低起燃點、空速及抗毒能力強的非貴金屬催化劑,使其能夠在低溫條件下同時降解多種不同濃度有機廢物,將成為今后研究工作的重點。同時催化燃燒裝置應向整體型、節能型發展,以降低造價和使用費。

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