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催化燃烧技术分析及应用和方法

2020-09-04 18:37:40

文章摘要:

近几年,光催化技术成为VOCs治理的研究热点。催化燃烧技术是利用具有光催化活性的半导体催化剂与VOCs分子接触,在光照条件下光催化剂产生电子空穴对,光致空穴具有很强的氧化性,能将其表面吸附的OH-和H2O分子氧化成OH·,利...

一、光催化技术成为VOCs治理的研究热点

近几年,光催化技术成为VOCs治理的研究热点。催化燃烧技术是利用具有光催化活性的半导体催化剂与VOCs分子接触,在光照条件下光催化剂产生电子空穴对,光致空穴具有很强的氧化性,能将其表面吸附的OH-和H2O分子氧化成OH·,利用OH·强氧化性将VOCs降解为CO2、H2O和无机小分子物质。

光催化技术的核心是光催化剂。目前常用的光催化剂分为两类,一类是TiO2基光催化剂,主要是指纯TiO2和改性的TiO2。另一类是非TiO2体系,比如ZnO、CdS和WO3等。其中TiO2基光催化剂运用较广泛,其来源广、化学稳定性和催化活性高,没有毒性。光催化的研究内容涉及光催化剂的制备、光催化作用机理研究、光催化技术的工程化、光催化技术的各种应用研究和产品开发等等从基础到应用研究等方面,并取得了大量的研究成果。但光催化技术仍存在许多问题需要解决,先是光催化生过程中,机理不明确,通常会产生有害中间产物,降解不完全可能会形成二次污染问题。其次是VOCs浓度较低时,光催化反应缓慢,效率较低。同时,催化剂本身存在量子效率低(不到4%)、固定困难、催化剂能否均匀负载、催化剂失活等问题,难运用于处理数量大、浓度高的工业废气。因此,目前光催化技术也是处于实验室研究阶段。

膜分离技术治理VOCs与其他膜分离过程一样,利用人工合成膜的穿透、滤过或其他动力性质不同,将VOCs分子从混合废气中分离出来的技术。

膜元件是膜分离技术的装置中心。常用的膜元件包括平板膜、中空纤维膜和卷式膜。其中中空纤维膜和平板膜通常用于分离回收VOCs,但其分离回收效率受多种因素的制约。近几年,随着膜材料和膜分离技术的不断发展,技术日趋成熟,现在常用的VOCs膜分离技术有:蒸汽渗透、气体膜分离和膜接触器等。

膜分离技术已经成功运用于许多领域。美国MTR公司结合压缩冷凝和膜分离两种技术开发了一种新型的膜集成分离系统来组合实现分离VOCs。处理后达标的净化气排到大气中;而渗透物流为富集有机物的蒸汽。膜分离技术具有流程简单、能耗小、VOCs回收率高、无二次污染等特点,是一种新型分离技术,适用于较高浓度的VOCs分离与回收,一般要求体积分数在0.1%以上。而膜材料是该技术的关键。膜的材质分为有机膜和无机膜,其中无机膜材料的研究与制备是化工和材料科学热点课题之一,包括Al2O3、TiO2膜等。目前无机膜分离技术工业化运用还需解决一些问题,比如膜材料的稳定性和膜反应器的密闭性等。

二、催化燃烧技术

催化燃烧技术指使用催化剂使VOCs在低温条件下燃烧,生成CO2、H2O、热量的一种净化技术。其特点是耗能少、起燃温度低,而且对浓度较低的VOCs也能进行处理。与一般热力燃烧相比,无需较多辅助热量,是一种新型环保的VOCs处理技术。

催化燃烧技术中,催化剂性能越高,对VOCs的净化就越彻底,反之则净化不够完全。催化剂的种类主要有金属氧化催化剂、贵金属催化剂等,贵金属催化剂由于成本高、易中毒和资源匾乏等缺点,应用的较少。目前,主要以金属氧化物催化剂为主,其高温稳定、低温高活性和抗中毒能力强等特点,使得它被广泛的应用在工业生产当中。我国科学家通过多次试验得到NiO/γ-Al2O3、CdO/γ-Al2O3、CuO/γ-Al2O3等多种催化剂,同时也验证了其起燃温度低、催化活性高的特点。而后科学家们用不同的催化剂对氯苯进行燃烧试验,发现在同等负载时,载体的不同对催化剂活性的影响巨大。Liu等相关人员采用浸渍法制备MnOx/TiO2、MnOx/Al2O3以及MnOx/SiO2催化剂,并对氯苯进行催化燃烧试验中发现催化剂活性较高的是MnOx/TiO2,在经过TPR与XRD测试分析表明出现此类现象的原因在于活性组分MnOx在该催化剂上具有较高的分散度。Yang等对SBA-15与MCM-41分子筛分别作为CuO载体催化苯燃烧的性能实验中,发现在载体SBA-15上CuO的分散度大于载体MCM-41,因而在载体SBA-15催化苯燃烧的活性高。

我国在VOCs的催化燃烧技术方面研究,但由于催化剂的制备、VOCs种类分析、工艺等多方位因素的影响,催化燃烧设备技术的过程都较为复杂,若将其应用在燃煤电厂中,种类繁多的VOCs和Cl、S、P、H2O等也都会降低催化剂活性。因此,要结合燃煤电厂的生产实际及工艺条件进行理论与实践的结合,有针对性的改变催化燃烧技术,保护生态环境。

三、等离子体一一光催化复合净化技术

等离子体一一光催化复合净化技术集成了等离子体净化技术和光催化净化技术的优点,对、氨气、O3、CO、气相苯等有机化合物有较好的净化效果。当前的等离子体一一光催化复合净化技术主要有2种方式,一是将光催化剂直接附着在等离子体发生装置上,如在等离子体发生管的管壁涂覆光催化剂膜,这种方式有光催化剂表面积较低和增加等离子体器件制备难度的缺点;一是以等离子体产生的电磁波作为光催化剂的激发光源,这种方式较大的问题是等离子体产生的可用于激发光催化剂的光的强度较弱,不足以引发大量的光催化降解反应。鉴于此,我国相关学者积极探索新的复合方式,以期提升复合净化技术的效率与使用价值。许太明等人尝试了一种新的复合方式,通过实验对等离子体单元在前、光催化单元在后和气流先流经光催化网再经过等离子体单元两种组合方式进行比对,发现前者净化高于后者,有较显著的协同促进效应,并发现通过改变等离子体发生单元与光催化单元的距离、在两者问放置可负电荷影响的网状物等还可进一步提高反应性能。但该技术无论在还是国内都仍处于试验阶段,有待进一步实质性的研究进展。


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