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揮發(fā)性有機廢氣處理催化氧化技術(shù)

　　1.VOCs污染現(xiàn)狀

　　近年來,隨著生態(tài)環(huán)境的逐漸惡化,揮發(fā)性有機物的污染治理越來越受到社會各界專家和學(xué)者的廣泛重視。國內(nèi)環(huán)保法律法規(guī)出臺和標(biāo)準(zhǔn)的制定也越發(fā)嚴(yán)格，對大氣環(huán)境的治理刻不容緩。常規(guī)的大氣污染物包括顆粒物、二氧化硫、氮氧化物和揮發(fā)性有機物等。揮發(fā)性有機物( Volatile organic compounds簡稱VOCs) ，通常指常壓下沸點處在50-260 ℃的有機化合物，范圍涉及廣泛，如烷烴、芳香烴、醇類、醛類、酮類和酯類等。許多VOCs毒性很大，包括熟知的甲醛、苯、丙酮和苯乙烯等。

　　2.VOCs來源以及危害

　　VOCs來源源包括生活源、交通源和工業(yè)源3類，隨著我國社會的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，直接排放的、VOCs導(dǎo)致的污染和VOCs通過一系列反應(yīng)導(dǎo)致的二次污染( 如光化學(xué)煙霧) 格外嚴(yán)重，保護(hù)環(huán)境的形勢也更加嚴(yán)峻。生活中VOCs 的來源包括裝修、餐飲業(yè)的油煙和日化用品等; 交通中VOCs的來源主要是機動車的尾氣; 工業(yè)中排放的VOCs種類最多，涉及面最廣，包括石化、印刷、噴涂和塑料等行業(yè)。

　　由此可見，VOCs的來源廣泛，其排放不僅會危害大氣環(huán)境，產(chǎn)生光化學(xué)煙霧; 還會對人類健康造成影響，誘發(fā)一系列疾病。因此，迫切需要尋找對VOCs有效的治理技術(shù)，以降低VOCs 的排放量。

　　3.VOCs治理技術(shù)

　　VOCs的控制和治理技術(shù)主要包括回收技術(shù)和破壞技術(shù)，根據(jù)不同的廢氣種類和濃度，可選用不同的方法。對于濃度較高、氣體單一和價值較高的VOCs，可進(jìn)行回收再利用。回收技術(shù)主要包括吸附技術(shù)、吸收技術(shù)、冷凝技術(shù)和膜技術(shù)等。對于中低濃度( 一般為5000mg/m?以下)和氣體復(fù)雜、沒有利用價值的VOCs，可采用破壞技術(shù)進(jìn)行消除，主要包括催化燃燒技術(shù)( 催化氧化技術(shù)) 、熱力焚燒技術(shù)、生物技術(shù)和等離子體技術(shù)等。

　　吸附法和吸收法是指利用吸附劑或吸收劑將工業(yè)廢氣中VOCs 吸附或吸收，其實質(zhì)只是將VOCs 從廢氣中轉(zhuǎn)移到吸附劑的孔道中或吸收液中，并非將VOCs 消除，因此是一種不徹底的處理技術(shù)，易產(chǎn)生二次污染，在工業(yè)中的很多場合限制了其應(yīng)用。冷凝技術(shù)是指利用不同氣體飽和蒸氣壓不同，通過降低溫度，將廢氣中的VOCs 冷凝為液體并進(jìn)行分離，回收有利用價值的VOCs，冷凝技術(shù)的缺點是應(yīng)用范圍較窄，一般用于較高濃度且成分單一的VOCs 回收。膜技術(shù)是指利用膜作滲透介質(zhì)，利用不同氣體透過膜的能力和速度不同，將VOCs 氣體從廢氣中分離開，膜技術(shù)的優(yōu)點是應(yīng)用范圍廣，缺點為分離不徹底。以上幾種方法均為物理方法分離VOCs，治理不徹底，還需進(jìn)行二次處理。

　　熱力焚燒技術(shù)是處理VOCs 比較徹底的技術(shù)之一，適用于濃度較高的VOCs 廢氣，反應(yīng)徹底，但反應(yīng)過程溫度較高，造成熱能浪費，且高溫下空氣中的氮氣和氧氣容易發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氮氧化物，引起二次污染；生物技術(shù)設(shè)備和占地面積均較大，處理效率慢，且可處理的VOCs 種類單一；等離子體技術(shù)是近年發(fā)展起來的一種新技術(shù)，但是此技術(shù)存在安全隱患，而且處理效率較低，很難達(dá)到環(huán)保的排放要求。

　　在眾多VOCs 處理技術(shù)中，催化氧化技術(shù)是徹底消除VOCs 比較有效方法之一，具有設(shè)備簡單、能耗低、消除效果好和無二次污染等特點。催化劑在催化氧化反應(yīng)中扮演著降低反應(yīng)活化能的角色，使得催化氧化技術(shù)較直接燃燒所需溫度大大降低。目前已經(jīng)把催化氧化技術(shù)作為重點推薦的有機廢氣處理技術(shù)。

　　4.催化氧化技術(shù)介紹

　　催化氧化技術(shù)是近年來廢氣處理工程應(yīng)用越來越廣泛的VOCs 處理技術(shù)，為典型的氣-固催化反應(yīng)，其本質(zhì)為VOCs 分子深度催化氧化反應(yīng)，催化劑在反應(yīng)中起到的作用是吸附反應(yīng)物分子和降低反應(yīng)活化能，從而在降低反應(yīng)溫度的同時加快反應(yīng)速率，生成對環(huán)境友好的水和二氧化碳，無二次污染。

　　4.催化氧化機理介紹

　　根據(jù)催化劑的種類差別，在貴金屬催化劑和非貴金屬催化劑表面的反應(yīng)機理也不盡相同，具體包括Langmuir-Hinshelwood 反應(yīng)機理和MarsvanKrevelen 反應(yīng)機理。

　　貴金屬催化劑的催化氧化反應(yīng)一般遵循Langmuir-Hinshelwood 反應(yīng)機理，是指在發(fā)生催化反應(yīng)過程之前，所有的反應(yīng)物都已經(jīng)被吸附到催化劑表面，表面反應(yīng)為控速步，其本質(zhì)為吸附粒子之間發(fā)生的反應(yīng)。Langmuir-Hinshelwood反應(yīng)機理是兩種吸附的分子進(jìn)行表面反應(yīng)的多相催化反應(yīng)，即兩種反應(yīng)物先吸附在固體催化劑上，在表面上發(fā)生反應(yīng)，生成的產(chǎn)物再脫附，反應(yīng)速度與兩種反應(yīng)物在催化劑表面的覆蓋度成比。體現(xiàn)在貴金屬催化氧化VOCs 的反應(yīng)過程中為: 貴金屬活性組分被認(rèn)為處于還原態(tài)，作為氧化還原表面反應(yīng)的活性中心而發(fā)揮作用。首先，氧氣在貴金屬活性位上分解為氧自由基，同時VOCs 氣體在貴金屬活性位上吸附，氧自由基進(jìn)攻吸附的VOCs 氣體，形成無污染的二氧化碳和水，在催化劑表面脫附，進(jìn)行下一個反應(yīng)過程。

　　非貴金屬氧化物催化劑的催化氧化反應(yīng)一般遵循Mars-van Krevelen 反應(yīng)機理，這種機理也被稱為氧化還原機理，實質(zhì)為反應(yīng)過程中反應(yīng)物與催化劑晶格氧離子反應(yīng)。首先是反應(yīng)物與催化劑中晶格氧反應(yīng)，在此過程中產(chǎn)生氧空位，同時晶格氧被還原，之后催化劑被解離吸附的氧補充氧空位而被重新氧化，得以再生。體現(xiàn)在非貴金屬氧化物催化氧化VOCs 的反應(yīng)過程中為: 第一步，VOCs 氣體分子與催化劑中晶格氧進(jìn)行反應(yīng)，生成二氧化碳和水，第二步為產(chǎn)生氧空缺的催化劑進(jìn)一步被氧化，氧空位消失，催化劑恢復(fù)活性進(jìn)行下一個反應(yīng)過程。

　　綜上所述，催化氧化技術(shù)的優(yōu)點很多，主要包括以下幾方面。

　　（1）起燃溫度低、能耗低: 催化氧化技術(shù)具有起燃溫度低、能耗低的顯著特點。在某些情況下，達(dá)到起燃溫度后便無需外界供熱，反應(yīng)過程無明火，安全性好。

　　（2）適用范圍廣: 幾乎可以處理所有種類VOCs氣體，對于有機化工、涂料、絕緣材料等行業(yè)的低濃度、多成分、無回收價值的廢氣，有很好的處理效果。

　　（3） 處理效率高、無二次污染: 處理效率一般在95%以上，最終產(chǎn)物僅為無害的CO2和H2O，因此無二次污染問題。此外，由于溫度低，能大量減少NOx的生成。

　　工業(yè)有機廢氣處理，常用的催化氧化技術(shù)包括常規(guī)催化氧化熱催化氧化兩種。目前催化氧化技術(shù)已經(jīng)成為VOCs治理中最為經(jīng)濟(jì)有效且應(yīng)用廣泛的技術(shù)。而在催化氧化技術(shù)中，催化劑性能的好壞則是決定設(shè)備運行成本和VOCs凈化性能好壞的重要因素，開發(fā)低溫高活性和穩(wěn)定性高的催化劑，是現(xiàn)在和將來很長一段時間內(nèi)催化氧化技術(shù)的研究重點。

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