催化燃烧去除VOCs污染物的最新进展

宋伟才

摘 要：目前能够有效处理VOCs（挥发性有机物）的技术是催化燃烧，本篇文章主要从催化剂载体、催化剂活性组分、水蒸汽的影响、有效组分颗粒大小和催化燃烧反应中的积碳等内容，总结了近些年催化燃烧去除VOCs的最新进展。根据分析可得，双组分贵金属催化剂和选择有效的载体是贵金属催化剂研究主要研究的重点；而非金属催化剂的研究就主要集中在钙钛矿、过渡技术复合氧化物及尖晶石型等催化剂的研制，另外还有载体对催化燃烧VOCs反应活性的影响及这些活性组分粒徑大小；除此之外，催化燃烧VOCs的反应还会受到催化剂积碳识货和水蒸汽等问题的影响。希望通过本文的研究分析，可以为相关的从业人员提供一定参考借鉴。

关键词：催化燃烧；挥发性有机化合物；进展

引言：VOCs（挥发性有机物）指的是在常压下沸点低于260℃，常温下饱和蒸汽压高于70Pa的有机化合物，如芳香烃、烯烃、醇类等，我们日常生活中比较常见的有装修材料、建筑材料、机动车尾气、厨房油烟等排放源；而在工业主要有石化工业和化工两种排放源，油漆、涂料和印刷工业的生产和使用。VOCs（挥发性有机物）大部分都是有气味、有毒，甚至部分的还有致癌的风险，对人类的健康会产生巨大的威胁。近些年来，VOCs已经成为我国污染源的主要组成，相关的危害事故也在不断出现，目前研究VOCs净化处理技术已经是社会关注的重点。

一、催化燃烧催化剂活性组分

一般情况下，工业上的催化剂都是由助剂、活性成分和载体等组成，其中活性组分和它的颗粒大小、分布、催化剂载体对催化的寿命和效果具有比较大的影响。贵金属和非贵金属是用于催化燃烧VOCs的催化剂的两个活性成分，其中贵金属主要是应用于低温催化燃烧，其优点是良好的抗硫性、较高的活性，缺点是价格比较高、资源短缺、活性组分容易烧结和挥发，容易引起氯中毒；非贵金属氧化物催化剂则包括了尖晶石型、钙钛矿型以及符合氧化物催化剂等，相比较贵金属来说，价格比较低，催化性能也相对比较好。比如，尖晶石型催化剂的低温活性较为良好；钙钛矿型催化剂具有较好的高温热稳定性；但是尖晶石型的不足在于催化剂活动比较低，需要比较高的温度来起燃。

二、水蒸汽对催化燃烧反应的影响

通常情况下，在催化燃烧反应中水蒸汽具有特殊的影响。首先，催化燃烧反应的产物就是水蒸汽；其次，大多数的工业尾气中都含有水蒸汽。所以，在实际的工艺上，在VOCs废气处理的过程中水蒸汽的确有着不可忽视的影响，一般水蒸汽对催化剂活性的影响主要有：使活性成分减少，对于去掉产生的氯气有良好的效果，减少催化剂表面的VOCs吸附位。需要注意的是，水蒸汽对于不同的催化剂产生影响也会不同。

在CuO/γ-Al2O3 等一些含铜的催化剂上催化燃烧甲苯的过程中，因为甲苯与水蒸汽会产生竞争而导致自身活性的降低，而在去掉水蒸汽之后就会正常，可以看出这种影响是可逆的。而在通入较多的水蒸汽后，会降低ZrO2等催化燃烧三氯乙烯和二氯乙烷的活性，但是对于氧化铈的催化燃烧影响性对比较小；也可以认为Ce/Zr复合氧化物的表面酸性和氧化还原性影响其吸附水量，对于催化燃烧氯代烃的活性有着一定的影响。但是对于抑制氯代副产物的产生可以通过水的引入可以解决，致使更多的氯化氢和二氧化碳利用氯代烃深度氧化获得。由此可见，关于减低水蒸汽的影响是目前重点的研究对象，在VOCs催化燃烧的时候，特别是在温度相对比较低的催化燃烧条件下，水蒸汽所产生的作用是一个相对比较复杂的现象。因此，VOCs催化燃烧处理设计在工业应用中应该重视水蒸汽对此的影响。

三、催化燃烧中的积碳问题以及反应条件的影响

在VOCs催化燃烧的过程中有时会产生大量的含硫、碳、氯的副产物，会与催化剂活性成分发生化学反应或者在催化剂表面堆积，导致催化剂中毒失活。而面对这种情况，一般可以采用选择合适的催化剂载体，改变催化剂活性成分等方式来提高抗毒性。

催化剂活性下降的重要因素是催化剂表面堆积大量的碳物质，也就是我们所说的积碳，积碳的生成原因还有在相同催化剂载体上负载不同的活性成分。根据相关的研究，不同的Cu含量的CuNaHY分子筛催化剂在一百五十摄氏度和五百摄氏度处理甲苯后，发现分析筛孔内沉积的焦炭组成为含氧的芳香碳氢化合物和芳香性碳氢化合物。Cr浸渍膨润土的催化剂具有良好的二甲苯和氯苯的催化燃烧活性，但是在六百摄氏度的反应下，表面会呈现黑颜色，依据进一步的TGA（热重分析），Cr浸渍膨润土催化剂表面有堆积大量的碳物质，因而解释失活机理是因为Cr和积碳反应而生成的挥发性的CrO2Cl2。在相关的报道中，关于有效降低积碳的生产可以利用选择合适的催化剂载体来实现。另外，导致催化剂活性下降的原因包括了处理含硫的VOCs中所产生的含硫沉积物。同时，在实际工艺上，对催化燃烧反应比较大的是反应条件，所以需要重视和加以考虑，根据Li等制备了一系列催化剂，其中反应的温度大概为三百二十摄氏度的时候，甲苯转化率为百分之九十五点四，并且该催化剂的热稳定性相对比较高。与此同时，他们也对焙烧温度以及反应温度、进料浓度和空速等操作条件甲苯催化燃烧活性的影响。根据实验数据分析，催化活性受焙烧温度的影响比较大，在八百摄氏度下焙烧厚，其活性会急剧下降，另外操作条件也会对其有比较明显的影响。

结束语：总而言之，随着环境问题的日益严重，VOCs所引起的环境问题和健康问题受到了社会的广泛关注，所以对VOCs的净化处理技术研究是社会可持续发展的必然选择。因而，催化燃烧技术作为目前去除VOCs的有效措施，具有十分良好的应用前景，由于催化燃烧机技术涉及的内容较多，在研究中还是需要结合反应机理和实际应用的工艺条件开展，促使相关工艺的完善和具有高稳定性、高活性以及抗中毒性的催化材料。

参考文献

[1]黎维彬，龚浩.催化燃烧去除VOCs污染物的最新进展[J].物理化学学报，2015，26（4）：885-894.

[2]潘红艳，张煜，林倩，等.催化燃烧VOCs用非贵金属催化剂研究新进展[J].化工进展，2016，30（8）：1726-1732.

（作者单位：广东昊霖环保科技有限公司）