催化燃燒技術(shù)之-芳烴催化燃燒催化劑介紹

 

催化燃燒的VOCs管理技術(shù)，從催化劑活性組分、催化劑結(jié)構(gòu)、形狀、制備等視點(diǎn)，論述現(xiàn)在芳烴催化燃燒的發(fā)展趨勢。

 

前語：催化燃燒是一個氣-固相催化反應(yīng)，其實質(zhì)是活性氧參加深度氧化效果。在催化燃燒進(jìn)程中，催化劑下降反應(yīng)的活化能，一起使反應(yīng)物分子富集于催化劑外表，以進(jìn)步反應(yīng)速率。憑借催化劑可使有機(jī)廢氣在較低的起燃溫度條件下發(fā)生無焰燃燒，并氧化分化成為CO2和H2O，一起放出很多熱量，到達(dá)了凈化廢氣的意圖。

 

VOCs催化燃燒技術(shù)中，關(guān)鍵是催化劑的研制，其功能的***壞對廢氣毀掉功率和能耗有著決定性的影響。依照催化劑所用的活性組分不同，催化劑能夠分為貴金屬催化劑和非貴金屬氧化物催化劑兩***類。依照催化劑的形狀不同，催化劑能夠分為顆粒催化劑和全體式催化劑兩***類。

 

1、催化劑概述

 

1.1 催化劑的活性組分

 

催化劑中活性組分是***重要的組成部分，直接影響催化效果，依照催化劑所運(yùn)用的活性組分，可將催化劑分為貴金屬催化劑和過渡金屬催化劑兩***類。

 

1.2 催化劑形狀

 

催化劑的形狀不只影響反應(yīng)器壓力降，也影響反應(yīng)物和產(chǎn)品的渙散速度，以及反應(yīng)選擇性和轉(zhuǎn)化率。因而，在催化燃燒反應(yīng)進(jìn)程中，催化劑在床層中的形狀對催化劑的催化燃燒功能有很***的影響。常用催化劑按形狀可分為顆粒狀和全體式催化劑兩***類。

 

（1）顆粒狀催化劑

 

催化燃燒是一個強(qiáng)放熱反應(yīng)，顆粒催化劑在反應(yīng)中會發(fā)生 “熱門”和部分高溫，催化劑易燒結(jié)失活；一起，顆粒催化劑床層壓降高，當(dāng)含有粉塵的廢氣經(jīng)過期，床層易被阻塞；別的顆粒催化劑強(qiáng)度低，易破損，阻力***。因而，顆粒催化劑并不合適催化燃燒空速和熱效應(yīng)較***的工業(yè)有機(jī)廢氣。

 

（2）全體式催化劑

 

全體式催化劑是指一個反應(yīng)器中只要一塊催化劑，英文名叫Monolith，一般為具有許多狹隘、直的或是曲折的平行通道的全體結(jié)構(gòu)催化劑[1]，因而對催化燃燒空速和熱效應(yīng)較***的工業(yè)有機(jī)廢氣具有很***的運(yùn)用遠(yuǎn)景。催化活性組分負(fù)載在通道的壁面上，這些通道為催化劑活性組分與反應(yīng)氣體供給了盡可能***的觸摸面積，一起也使氣體的壓力降降到***。與傳統(tǒng)的顆粒催化劑比較，全體式催化劑具有以下長處[2]：1）床層壓降***幅下降；2）催化活性物質(zhì)涂層薄，內(nèi)外表利用率高，***別適用反應(yīng)速度快、空速***和處于傳質(zhì)操控進(jìn)程的催化燃燒反應(yīng)；3）氣流散布均勻，無熱門和溝流現(xiàn)象，反應(yīng)器徑向和軸向的溫度梯度******減??；4）不發(fā)生粉塵，也不易被外來粉塵阻塞；5）機(jī)械強(qiáng)度和熱安穩(wěn)性較***；6）裝置簡略，既可水平裝置（氣流水平方向經(jīng)過），也可筆直裝置（氣流上下經(jīng)過）。

 

全體式催化劑一般由活性組分和助劑、載體或涂層和基體三部分組成。基體***要起承載催化涂層的效果，***要分為兩類，一類是陶瓷基體（如堇青石、氧化鋁、莫來石）；別的一類是金屬基體（如Fe-Cr-Al合金、金屬絲網(wǎng)）。

 

① 蜂窩陶瓷基體

 

蜂窩陶瓷基體***多以耐熔性氧化物、鋁酸鹽和硅酸鹽材料（如氧化鋁、氧化鎂、二氧化鈦、石英、二氧化鋯、尖晶石、堇青石和碳化硅等）作為質(zhì)料，因為堇青石蜂窩陶瓷價格便宜、原材料易得、生產(chǎn)工藝簡略和功能根本滿意運(yùn)用需求，且與各種催化劑活性組分杰出的匹配性，孔壁薄熱膨脹系數(shù)和耐熱沖擊性***等長處，***多數(shù)廠家均將其作為全體式催化劑的基體?？墒牵涓C陶瓷基體也有一些缺少：1）一般制造工藝的蜂窩孔徑和壁厚還不能制得很小，使進(jìn)一步進(jìn)步催化強(qiáng)度和下降床層壓降受到限制；2）陶瓷導(dǎo)熱性差，熱容量***；3）用于汽車尾氣處理時，陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度還不徹底飽嘗得住行車進(jìn)程中的氣流沖擊和機(jī)械轟動。

 

② 蜂窩金屬基體

 

與蜂窩陶瓷基體比較，蜂窩金屬基體具有以下長處[3]：1）導(dǎo)熱系數(shù)***，能夠快速地將熱量傳遞，然后到達(dá)發(fā)動溫度或?qū)崃堪l(fā)出；2）壁薄、質(zhì)輕、床層壓降小；3）機(jī)械強(qiáng)度高，耐振蕩；4）杰出的延展性，易于加工成型；5）金屬絲網(wǎng)基體具有三維多孔結(jié)構(gòu)，答應(yīng)氣流在多個孔道內(nèi)交織活動，具有更***的傳熱速率和傳質(zhì)功率。因而，金屬蜂窩基體戰(zhàn)勝陶瓷蜂窩基體的質(zhì)脆、導(dǎo)熱性差等缺陷?？墒墙饘倩w也存在熱膨脹系數(shù)高，涂層與金屬基體粘結(jié)強(qiáng)度不高、易掉落、工藝雜亂、價格相對較高級一系列問題，因而其不如陶瓷基體運(yùn)用廣泛。

 

（3）全體式催化劑制備

 

全體式催化劑的制備辦法***要有兩種，一種是在催化劑基體（如堇青石蜂窩基體或金屬蜂窩基體）上涂覆氧化鋁凝膠等復(fù)合氧化物凝膠等復(fù)合氧化物涂層，然后再浸漬貴金屬。另一種是先把貴金屬浸漬在催化劑載體（如氧化鋁或其他材料）上，然后再制備成漿液涂敷在催化劑基體上。兩種辦法中，前者的制備工藝較為簡略，但因為該進(jìn)程先在催化劑基體上涂覆氧化鋁凝膠，制得的氧化鋁涂層結(jié)實度不行，易掉落，且貴金屬在基體上的渙散性欠***；后一種制備辦法中貴金屬渙散較***，且涂層較為安穩(wěn)，結(jié)實度強(qiáng)。因而，現(xiàn)在***多采用后一種制備辦法[4]。

 

2、用于芳烴催化燃燒催化劑的發(fā)展趨勢

 

現(xiàn)在***內(nèi)外對用于催化燃燒處理芳烴廢氣催化劑研討的發(fā)展趨勢是：

 

（1）盡管非貴金屬催化劑成本低，熱安穩(wěn)性相對較***，但催化活性低、起燃溫度高，難以完成工業(yè)運(yùn)用。貴金屬催化劑具有其他金屬無與倫比的***越性，可是安穩(wěn)性較差、價格昂貴，資源缺少，限制了其***規(guī)模運(yùn)用。所以現(xiàn)在對催化燃燒催化劑的研討，***要是經(jīng)過增加非貴金屬改進(jìn)貴金屬催化劑的織構(gòu)、結(jié)構(gòu)、氧化復(fù)原等功能，進(jìn)步催化劑的活性和選擇性、安穩(wěn)性，下降貴金屬用量，完成單原子催化也成為貴金屬催化范疇的研討熱門。

 

（2）現(xiàn)在的研討方針***多集中于易被催化燃燒的甲苯，但對結(jié)構(gòu)安穩(wěn)和毒性***的苯報導(dǎo)較少。別的，處理方針單一，***多數(shù)研制作業(yè)是在CH4、脂肪烴、醇、醛、甲苯等單一VOCs上進(jìn)行，而實踐工業(yè)氣體往往組成非常雜亂，含有醛、醇和芳烴（如苯）及雜原子（Cl、N、S）有機(jī)物等。由處理一種VOCs到一起處理多種VOCs，及VOCs和其他污染物的混合物。

 

（3）催化燃燒與其它操控技術(shù)相結(jié)合，使其運(yùn)用規(guī)模更廣、處理功率更高，能耗更低：如吸附-催化燃燒、冷凝-催化燃燒等。

 

（4）對氧化機(jī)理和反應(yīng)動力學(xué)尚缺少深化的研討，***別對發(fā)生在催化劑上的反應(yīng)途徑和分子活性氧需求更深化了解。此外，多種有機(jī)廢氣混合，易引起催化劑失活，這一系列雜亂的問題有待進(jìn)一步探究。

 

結(jié)束語： 綜上所述，開發(fā)一種低溫催化活性高、安穩(wěn)性***、功率高、可運(yùn)用性強(qiáng)并以苯為方針分子的低含量貴金屬-非貴金屬全體式催化劑已成為處理芳烴廢氣催化劑的發(fā)展趨勢，不只可為社會帶來巨***的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，一起也能為其他有毒VOCs的管理供給有力的技術(shù)支撐。