揮發性有機化合物RTO和催化劑催化氧化技術研究進展

Date:August 15, 2019 47

  
  近年來,隨著生態環境的逐漸惡化,揮發性有機化合物的污染控制越來越受到各界專家和學者的關注。揮發性有機化合物處理技術主要包括吸附技術和催化氧化技術等回收技術。催化氧化是一種較為完整的揮發性有機化合物處理技術,RTO能耗低,無二次污染和良好的安全性。廣泛的應用和其他優勢。通過引入揮發性有機物處理技術,催化氧化機理和揮發性有機氧化催化劑,目的是促進揮發性有機化合物的發展,特別是催化氧化技術。
  在當今社會,越來越具有破壞性的氛圍與人們對美好生活環境的要求產生了矛盾。國家和國際環境法律,法規和標準的制定變得越來越嚴格,環境管理也不能拖延。常規的空氣污染物包括顆粒,二氧化硫,氮氧化物和揮發性有機化合物。揮發性有機化合物(VOC)通常是指在常壓下沸點為50至260℃的有機化合物,包括烷烴,芳烴,醇,醛,酮和酯。許多揮發性有機化合物毒性很大,RTO包括甲醛,苯,丙酮和苯乙烯。
  VOC來源包括生命來源,運輸來源和工業來源。隨著我國社會的進步和經濟的發展,直接排放,VOCs造成的污染和VOCs引起的二次污染等一系列反應(如光化學煙霧)特別嚴重和保護情況環境更加嚴重。生活中的VOC來源包括裝飾和修復中的煙霧和日常必需品;運輸中的VOC來源主要是機動車的廢氣;業內揮發性最強的揮發性有機化合物,涵蓋范圍最廣,包括石油化工,印刷,噴涂和塑料等行業。
  可以看出,揮發性有機化合物具有廣泛的來源,其排放不僅會破壞大氣環境,還會產生光化學煙霧;它們還會影響人類健康并誘發許多疾病。因此,迫切需要找到有效的VOC處理技術以減少VOC排放。
  1政府技術
  VOC控制和處理技術主要包括回收技術和破壞技術,可根據不同類型和濃度的廢氣選擇不同的方法。對于更高濃度,焚燒爐單一氣氛和更高價格的VOC,它們可以回收利用。回收技術主要包括吸附技術,吸附技術,冷凝技術和膜技術。中低濃度(通常低于5,000 mg/m3)和復雜氣氛且無使用價值的VOC可通過破壞技術消除,包括催化燃燒技術(催化氧化技術),熱焚燒技術,生物技術和等離子。技術等吸附方法和吸收方法是指通過使用吸附劑或吸收劑吸附或吸收工業廢氣中的VOC,其基本上將VOC從廢氣轉移到吸附劑或液體的孔中。吸收,并不消除VOCs,使其成為一種不完全的處理技術,容易發生二次污染,這限制了它在工業中的許多場合的應用。冷凝技術是指使用不同壓力的飽和氣體蒸汽,通過降低溫度,廢氣中的VOC冷凝成液體并分離以回收有價值的VOC。冷凝技術的缺點是應用范圍窄,通常用于單一濃度和單一組分的較高VOC回收率。膜技術是指使用膜作為滲透介質,不同氣體通過膜的能力和速度是不同的,并且VOC氣體與廢氣分離。膜技術的優點是應用范圍廣,缺點是分離不完全。上述方法是分離VOC的物理方法,處理不完全,也需要二次處理。
  熱焚燒技術是VOC處理最完整的技術之一。適用于高濃度的VOC。反應完成,但反應過程的溫度很高,這會浪費熱能。在高溫下,空氣中的氮和氧容易反應產生氮。生銹,導致二次污染;生物技術設備和占地面積大,加工效率低,可處理的VOC類型獨特;等離子體技術是近年來發展起來的一項新技術,但其反應機理和反應器設計尚未得到充分研究,轉換效率低,難以滿足環境排放要求。
  在許多VOC加工技術中,催化氧化技術是完全消除VOC的最有效方法之一。它具有設備簡單,能耗低,消除效果好,無二次污染的特點。催化劑在降低催化氧化反應中反應的活化能中起作用,因此催化氧化技術在直接燃燒所需的溫度下顯著降低。《揮發性有機物( VOCs) 污染防治技術政策》于2013年5月24日實施,采用催化氧化技術作為有機廢氣處理的關鍵技術。
  2催化氧化介紹和機理介紹。
  催化氧化技術是近年來廣泛使用的VOC處理技術。它是典型的固體氣體催化反應。其實質是VOC的深度催化氧化。催化劑在活性分子的吸附中起作用,并且降低反應的活化能以加速反應速率同時降低反應溫度,從而產生環境友好的水和二氧化碳而沒有二次污染。
  取決于催化劑的類型,貴金屬催化劑和非貴金屬催化劑的表面反應機理也不同,包括Langmuir-Hinshelwood反應機理和Marsvan Krevelen反應機理。貴金屬催化劑的催化氧化反應通常遵循Langmuir-Hinshelwood反應機理。如下圖所示,在催化反應過程發生之前,所有試劑都已吸附到催化劑表面。表面反應是受控速度步驟。吸附顆粒之間發生的反應。 Langmuir-Hinshelwood反應機理是一種非均相催化反應,其中兩個吸附的分子經歷表面反應,即,兩種試劑首先吸附在固體催化劑上,在表面上反應,并且所得產物被解吸,和反應速度為2。催化劑表面上的試劑的覆蓋率是成比例的。它反映在VOCs貴金屬的催化氧化反應過程中.0x1717貴金屬的活性組分被認為處于還原狀態,并作為氧化還原表面反應的活性中心。首先,氧在貴金屬的活性部位被分解成氧自由基,而VOC氣體被吸附在貴金屬的活性部位。氧自由基攻擊吸附的VOCs氣體,形成無污染的二氧化碳和水,在催化劑表面解吸,繼續進行下一個反應過程。
  非貴金屬氧化物催化劑的催化氧化通常遵循Mars-van Krevelen的反應機理,如下頁所示。該機理也稱為氧化還原機理,其在反應過程中基本上使反應物與催化網絡的氧離子反應。第一個是試劑與催化劑中網絡中的氧反應,在此期間產生氧空位,同時網絡中的氧被還原,之后催化劑被氧離解再氧化。吸附到氧空位進行再生。在催化VOC氧化的非貴金屬氧化物的反應過程中,第一步是: VOC氣體分子與催化劑網絡中的氧氣反應形成二氧化碳和水。第二步是進一步氧化氧空位催化劑。空位消失,催化劑恢復下一反應過程的活性。
  綜上所述,催化氧化技術的優點很多,包括以下幾個方面: 1)低關機溫度和低能耗:催化氧化技術具有關機溫度低,能耗低的特點。在某些情況下,在達到點火溫度后,不需要外部加熱,反應過程沒有明火,安全性良好.2)廣泛的應用范圍:可以處理幾乎所有類型的VOC氣體,適用于有機化學品,涂料和絕緣材料等行業。低濃度,多組分,不回收的廢氣具有良好的處理效果; 3)處理效率高,無二次污染處理效率:一般大于95%,最終產品只有無害的CO2和H2O,因此沒有二次污染問題。另外,由于低溫,可以大大減少NOx的產生。
  工業中常用的催化氧化技術包括兩種常規催化氧化和熱催化氧化,工藝流程如前圖所示。目前,催化氧化技術已成為VOC處理中最具成本效益和廣泛使用的技術。在催化氧化技術中,催化劑性能是決定設備運行成本和VOCs凈化性能的重要因素。低溫,高活性和高穩定性的催化劑的開發現在和將來都是催化氧化。技術研究的重點。
  3催化劑的分類和介紹
  適用于工業應用的催化劑必須具有高強度,低強度,低溫活性,高溫穩定性和良好的耐毒性的優點。對VOC去除催化劑的研究已經研究多年,并且有許多類型,分類為活性組分,主要是貴金屬催化劑和非貴金屬催化劑。非貴金屬催化劑還包括過渡金屬氧化物催化劑和復合金屬氧化物催化劑。
  與金屬氧化物催化劑相比,貴金屬催化劑的研究起步較早,研究更為徹底。用于除去VOC的貴金屬的活性組分通常包括Pt,Pd,Rh,Ru和Au。貴金屬催化劑的優點是低溫活性,使用壽命長,選擇性好,是工業上最常用的VOC催化劑。制備方法通常通過將貴金屬的活性組分加載到具有較大比表面的載體中來進行。當進行催化氧化反應時,VOC的轉化效率在一定溫度范圍內迅速增加,反應后僅形成二氧化碳和水,并且沒有中間產物。
  Peng等人使用二氧化鈦作為載體,通過浸漬到載體表面制備活性催化劑Pt,Pd和Au以制備催化劑,并使用制備的催化劑催化氧化甲苯。通過實驗發現,Pt催化劑具有最高的反應性。催化劑表征顯示Pt顆粒在載體表面上具有最大的分散,因此活性也是最佳的。
  制備Sekizawa和其他由SnO 2和Al 2 O 3負載的Pd催化劑。發現當使用SnO2作為載體時,催化劑的比表面積略小,但催化活性和穩定性優于Al2O3。為了平衡成本和催化活性之間的關系,許多研究都集中在將貴金屬加載到大的表面氧化物中,包括氧化鋁,氧化鈦和氧化鋯,以及非金屬氧化物,如二氧化硅,分子篩和碳材料。激活等負載型催化劑具有大的比表面并且可以高度分散在貴金屬顆粒的表面上以改善催化活性。浸漬和共沉淀是兩種最常用的貴金屬負載方法,但這兩種制備方法難以控制貴金屬顆粒的大小,因此研究人員已經做了其他嘗試。 Huang等人,通過還原硼氫化鈉制備Pt/TiO2催化劑。可以通過改變還原溫度來控制Pt粒徑。陳春雨制備了由Meso-Beta Pt負載的β和介孔催化劑,制備了催化氧化甲苯的催化劑。相反,材料負載的中孔Pt催化劑在使用后具有較少的碳表面積,較不明顯的活化能和較長的壽命。作者認為,這些優良的產量與穿著者的介孔結構密切相關,貴金屬的活性成分可以更均勻地分散在孔隙中,介孔結構有利于活性中心的形成。貴金屬催化劑的活性通常優于非貴金屬氧化物催化劑,然而,缺點是它們容易被催化劑,氯化物或水蒸氣的表面積聚中毒。在工業應用的復雜氣氛的情況下,催化劑表面上的活性位點容易被水蒸氣,Cl或S物質占據,或被其他材料競爭吸附。為了改善催化劑的抗毒性,可以通過向貴金屬催化劑中加入第二助劑來制備第二添加劑,并且可以通過兩種組分的相互作用改善抗催化劑效果而不影響催化劑的催化效果。有毒性質,例如,向Pd催化劑中添加Ru可以增加Pd在催化劑表面上的分散,并且添加Ru可以防止Pd的活性組分暴露于催化劑的最外層,從而減少了毒物的損害,從而提高了催化劑的穩定性。還可以通過引入水蒸氣來恢復催化劑活性。 Marécot等人。他們發現了一種有趣的現象,其中催化劑表面上形成的不穩定的氯化物可以在催化氧化反應過程中被水蒸氣帶走。鉑/氧化鋁催化劑的獨特性穩定,氯化物含量從0.47%降至0.11%。可以看出,貴金屬催化劑具有高催化活性,并已廣泛用于工業VOC的處理和研究。然而,貴金屬催化劑也具有某些缺點。例如,是昂貴的,并且貴金屬的活性組分在較高溫度下使用時易于升華。損失,易燒結,抗中毒能力弱。因此,近年來,非貴金屬氧化物催化劑的研究在專家和學者中越來越受歡迎。

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