催化燃燒技術(shù)催化劑研究進(jìn)展綜述

催化燃燒是一個氣-固相催化反應(yīng)，其實(shí)質(zhì)是活性氧參與深度氧化作用。在催化燃燒過程中，催化劑降低反應(yīng)的活化能，同時使反應(yīng)物分子富集于催化劑表面，以提高反應(yīng)速率。借助催化劑可使有機(jī)廢氣在較低的起燃溫度條件下發(fā)生無焰燃燒，并氧化分解成為CO2和H2O，同時放出大量熱量，達(dá)到了凈化廢氣的目的。

VOCs催化燃燒技術(shù)中，關(guān)鍵是催化劑的研制，其性能的優(yōu)劣對廢氣銷毀效率和能耗有著決定性的影響。按照催化劑所用的活性組分不同，催化劑可以分為貴金屬催化劑和非貴金屬氧化物催化劑兩大類。按照催化劑的形狀不同，催化劑可以分為顆粒催化劑和整體式催化劑兩大類。
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最重要的組成部分，直接影響催化效果，按照催化劑所使用的活性組分，可將催化劑分為貴金屬催化劑和過渡金屬催化劑兩大類。
1.2 催化劑形狀
催化劑的形狀不僅影響反應(yīng)器壓力降，也影響反應(yīng)物和產(chǎn)物的擴(kuò)散速度，以及反應(yīng)選擇性和轉(zhuǎn)化率。因此，在催化燃燒反應(yīng)過程中，催化劑在床層中的形狀對催化劑的催化燃燒性能有很大的影響。常用催化劑按形狀可分為顆粒狀和整體式催化劑兩大類。
（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)中會產(chǎn)生 “熱點(diǎn)”和局部高溫，催化劑易燒結(jié)失活；同時，顆粒催化劑床層壓降高，當(dāng)含有粉塵的廢氣通過時，床層易被阻塞；另外顆粒催化劑強(qiáng)度低，易破損，阻力大。因此，顆粒催化劑并不適合催化燃燒空速和熱效應(yīng)較大的工業(yè)有機(jī)廢氣。
（2）整體式催化劑
整體式催化劑是指一個反應(yīng)器中只有一塊催化劑，英文名叫Monolith，通常為具有許多狹窄、直的或是彎曲的平行通道的整體結(jié)構(gòu)催化劑[1]，因而對催化燃燒空速和熱效應(yīng)較大的工業(yè)有機(jī)廢氣具有很好的應(yīng)用前景。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)氣體提供了盡可能大的接觸面積，同時也使氣體的壓力降降到最低。與傳統(tǒng)的顆粒催化劑相比，整體式催化劑具有以下優(yōu)點(diǎn)[2]：1）床層壓降大幅降低；2）催化活性物質(zhì)涂層薄，內(nèi)表面利用率高，特別適用反應(yīng)速度快、空速大和處于傳質(zhì)控制過程的催化燃燒反應(yīng)；3）氣流分布均勻，無熱點(diǎn)和溝流現(xiàn)象，反應(yīng)器徑向和軸向的溫度梯度大大減小；4）不產(chǎn)生粉塵，也不易被外來粉塵堵塞；5）機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性較好；6）安裝簡單，既可水平安裝（氣流水平方向通過），也可垂直安裝（氣流上下通過）。
整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?；w主要起承載催化涂層的作用，主要分為兩類，一類是陶瓷基體（如堇青石、氧化鋁、莫來石）；另外一類是金屬基體（如Fe-Cr-Al合金、金屬絲網(wǎng)）。
① 蜂窩陶瓷基體
蜂窩陶瓷基體大多以耐熔性氧化物、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）作為原料，由于堇青石蜂窩陶瓷價格便宜、原材料易得、生產(chǎn)工藝簡單和性能基本滿足使用需要，且與各種催化劑活性組分良好的匹配性，孔壁薄熱膨脹系數(shù)和耐熱沖擊性好等優(yōu)點(diǎn)，大多數(shù)廠家均將其作為整體式催化劑的基體。但是，蜂窩陶瓷基體也有一些不足：1）一般制作工藝的蜂窩孔徑和壁厚還不能制得很小，使進(jìn)一步提高催化強(qiáng)度和降低床層壓降受到限制；2）陶瓷導(dǎo)熱性差，熱容量大；3）用于汽車尾氣處理時，陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度還不完全經(jīng)受得住行車過程中的氣流沖擊和機(jī)械震動。
② 蜂窩金屬基體
與蜂窩陶瓷基體相比，蜂窩金屬基體具有以下優(yōu)點(diǎn)[3]：1）導(dǎo)熱系數(shù)大，可以快速地將熱量傳遞，從而達(dá)到啟動溫度或?qū)崃可l(fā)；2）壁薄、質(zhì)輕、床層壓降?。?）機(jī)械強(qiáng)度高，耐振動；4）良好的延展性，易于加工成型；5）金屬絲網(wǎng)基體具有三維多孔結(jié)構(gòu)，允許氣流在多個孔道內(nèi)交錯流動，具有更大的傳熱速率和傳質(zhì)效率。因此，金屬蜂窩基體克服陶瓷蜂窩基體的質(zhì)脆、導(dǎo)熱性差等缺點(diǎn)。但是金屬基體也存在熱膨脹系數(shù)高，涂層與金屬基體粘結(jié)強(qiáng)度不高、易脫落、工藝復(fù)雜、價格相對較高等一系列問題，因此其不如陶瓷基體應(yīng)用廣泛。
（3）整體式催化劑制備
整體式催化劑的制備方式主要有兩種，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。兩種方式中，前者的制備工藝較為簡單，但由于該過程先在催化劑基體上涂覆氧化鋁凝膠，制得的氧化鋁涂層牢固度不夠，易脫落，且貴金屬在基體上的分散性不好；后一種制備方法中貴金屬分散較好，且涂層較為穩(wěn)定，牢固度強(qiáng)。因此，目前大多采用后一種制備方法[4]。
2、用于芳烴催化燃燒催化劑的發(fā)展趨勢
目前國內(nèi)外對用于催化燃燒處理芳烴廢氣催化劑研究的發(fā)展趨勢是：
（1）雖然非貴金屬催化劑成本低，熱穩(wěn)定性相對較好，但催化活性低、起燃溫度高，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。貴金屬催化劑具有其他金屬無可比擬的優(yōu)越性，但是穩(wěn)定性較差、價格昂貴，資源短缺，制約了其大規(guī)模應(yīng)用。所以目前對催化燃燒催化劑的研究，主要是通過添加非貴金屬改善貴金屬催化劑的織構(gòu)、結(jié)構(gòu)、氧化還原等性能，提高催化劑的活性和選擇性、穩(wěn)定性，降低貴金屬用量，實(shí)現(xiàn)單原子催化也成為貴金屬催化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
（2）目前的研究對象大多集中于易被催化燃燒的甲苯，但對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和毒性大的苯報道較少。另外，處理對象單一，大多數(shù)研發(fā)工作是在CH4、脂肪烴、醇、醛、甲苯等單一VOCs上進(jìn)行，而實(shí)際工業(yè)氣體往往組成非常復(fù)雜，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到同時處理多種VOCs，及VOCs和其他污染物的混合物。
（3）催化燃燒與其它控制技術(shù)相結(jié)合，使其應(yīng)用范圍更廣、處理效率更高，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)尚缺乏深入的研究，特別對發(fā)生在催化劑上的反應(yīng)路徑和分子活性氧需要更深入理解。此外，多種有機(jī)廢氣混合，易引起催化劑失活，這一系列復(fù)雜的問題有待進(jìn)一步探索。
綜上所述，開發(fā)一種低溫催化活性高、穩(wěn)定性好、效率高、可應(yīng)用性強(qiáng)并以苯為目標(biāo)分子的低含量貴金屬-非貴金屬整體式催化劑已成為處理芳烴廢氣催化劑的發(fā)展趨勢，不僅可為社會帶來巨大的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，同時也能為其他有毒VOCs的治理提供有力的技術(shù)支撐。

來源：《基層建設(shè)》