催化燃烧在VOCS中治理的运用及研究

2021-03-02柳添辉

绿色环保建材 2021年1期

柳添辉

厦门科仪检测技术有限公司

1 引言

VOCs 会给环境和人类带来极大的危害，因此，社会公众对其予以了高度的重视。目前，销毁技术中的催化燃烧法是最为常见的，并且该技术在使用性以及经济性方面有着更大的优势。VOCs 污染通过催化剂的治理，能够得到显著的改善，因此需要在工况中通过与有机废气的结合，对具有高活性、高稳定性等优势的催化剂进行具有针对性的开发，以此来使大气环境能够得到有效地保护。其主要有回收以及销毁这两种处理技术。吸附、吸收以及冷凝等在回收技术中较为常见；其中催化燃烧法在回收技术中较为常见。一般来说，100g/m³～2000g/m³是工业VOCs废气的浓度区间，催化燃烧法在众多治理方法中最为经济有效。由于美国、日本等部分国家有着先进的工业技术，因此大规模的应用了催化燃烧技术，部分石化企业、高等院校以及科研单位在国内也对催化燃烧技术进行了研究，越来越多的人开始对催化燃烧技术引起了关注。

2 燃烧法对挥发性有机废气的处理

2.1 直接燃烧法

直接燃烧法就是最初的燃烧技术，就是直接燃烧VOCs，该方法只需要直接在焚烧炉中加入VOCs，就能够对其进行高温燃烧，高温能够加快VOCs 向CO2和H2O 的转化速度，其可以达到99%的脱除效率，如果有机废气中只含有少量的VOCs，此时就无法进行充分地燃烧，因此，需要做好对相关措施的采取，例如燃烧时对辅料的添加，能够使VOCs得到完全的燃烧，最终VOCs能够全部转变为CO2和H2O，此类CO2和H2O 不会对空气造成污染。此类方法有着以下优势：其无须较高的投资费用，并且制备设备并不复杂，操作也较为便捷，然而，对此类燃烧方法的采用需要长期处于＞1100℃的高温环境下，并且NOx在高温的环境下更易带来二次污染[1]。

2.2 催化燃烧法

所谓的催化燃烧法指的就是，将某种催化剂加入反应系统中，通过催化剂的作用，能够使VOCs 得到完全的反应，进而实现对CO2和H2O 的生成，然后再将其释放到空气中。此类催化剂有着以下作用机理：能够做到对VOCs 燃点的降低。目前所使用的此类催化剂有着较多的类型，此类催化剂中最为常见的就是贵金属催化剂以及非贵金属催化剂。例如部分催化剂（如Pt/H－Beta 和PdO/H－Beta 等）在接触到VOCs 时，对有机物中的氯化烃类的选择有着较高的要求，以此来促进催化剂对其的催化分解。而相关研究人员表明，通过对催化燃烧法的使用，能够使部分有机物（如己烷、苯和丙醇等）在Au/TiOxNy 催化剂的作用下得到较高的催化，通过此类催化作用能够使VOCs 得到充分地燃烧。催化燃烧法相比热力燃烧法来说，其优势更不相同，然而催化燃烧法对燃烧温度的要求更低，这是其的主要特点。由于其对燃烧温度没有过高的要求，因此，可以使二次污染物NOx的生成得以避免，能够对环境起到保护的作用。

表1

3 催化燃烧处理的优势

3.1 减少对NOx气体的生成

其对燃烧温度没有过高的要求，并且所消耗的能量较少，甚至在起燃温度下的氧化反应不需要通过外界的传热，例如，例如完全氧化后的CH4能够得到活性组分PdO,Pd甲烷在Al2O3担载的作用下，在200℃时就能够发生氧化起燃，通过PdO 对CuO 和Co3O4的担载，甲烷在300℃左右就能够发生氧化起燃，而且此类低温催化燃烧所导致的NOx气体得生成能够得以减少。

3.2 更广泛的使用范围

通过催化燃烧基本能够实现对有机废气中的烃类以及恶臭气体的完全处理，其浓度有着广泛的适用范围，能够处理各种复杂成分的有机废气。针对部分行业所排放的废气，例如涂料以及绝缘材料等，由于其浓度较低、成分复杂并且缺乏回收价值，因此，吸附—催化燃烧法有着更好地处理效果，通常有机废气能够达到95%以上的转化率。

3.3 合理可行的经济

其能够做到对大范围氧浓度环境的适应，有着较高的净化效率，并且不会造成二次污染的出现，此外其燃烧较为缓和，无须较高的运转费用，降低了操作管理的难度，能够使长期运行的目标得以实现，并且其废热具有回收价值，减少了处理所需的成本，使经济具有了合理性以及可行性。

4 各种VOCs的催化氧化

4.1 饱和烷烃类

碳氢化合物中最为简单的一种就是饱和烷烃，然而由于化工合成中对其的广泛应用，导致VOCs排放在每年都有着较大的占比，乙烷、丙烷以及正丁烷等在饱和烃类VOCs 中较为常见。各种类型的饱和烃有着不同的烃毒性，因此给环境带来的影响也有所不同。目前相关领域从催化氧化方面，对饱和烃进行了广泛的研究，乙烷、丙烷以及正己烷是最为主要的研究对象。目前贵金属类催化剂、水滑石类等是VOCs的主要催化处理剂[2]。

目前，研究活动将氧化物中的Mn、Co、Fe、Ni以及Cu作为了主要催化剂，其中活性最强的催化剂是Co类以及Mn类。表面积比较高的是Co3O4，含晶格缺陷最多且键能较低的是Co—O，因此其催化活性较强。由于Co3+在比例、还原能力、表面晶格氧含量以及晶格氧转移能力方面有着更强的优势，因此，Co3O4在其的作用下能够拥有更强的催化活性。MnOx有着广泛的原料来源，并且价格并不高，是众多可选催化剂中最为理想的一种。由于催化剂有着不同的晶型，因此对丙烷有着不同的吸附能力，活性位点在表面及体相中的数量与其催化活性有着密切的关系。

4.2 不饱和烯烃类

相比饱和烃类来说，工业每年所排放的烯类与烃类一样，都有着较大的比例。人类以及环境会受到来自大部分常见烃类的危害，其中光化学反应下的丙烯会生成臭氧，因此将其作为了严重污染物。不饱和烃类中的乙烯和丙烯有着较大的占比，在近几年得到了广泛的关注。

采用共同沉淀法能够实现对钴（CMO）的均相制备，其催化活性较为优良。Co2.35Mn0.65O4是催化活性最强的钙钛矿型催化剂，然而其活性只是略高于Co3O4。贵金属催化剂中的负载型对系统的催化作用较强。由于酸碱性、载体以及贵金属对纳米颗粒载体的作用，从活性方面给此类符合催化剂带来了显著的影响。

4.3 芳香烃类

工业中对VOCs 芳香烃类的排放，主要涉及了苯、甲苯以及二甲苯等。芳香族化合物对环境有着相当大的危害性，并且毒性和致癌性是其常见的性质。在过去的这几年时间内，催化氧化中对BTEX 进行了广泛的研究，其主要涉及了催化剂中的Pt、Pd、Au 以及Ag 这4 种负载型贵金属，催化剂中的Mn、Cu、Cr、Ni以及Ti 这4 种过渡金属氧化物，催化剂中的稀土氧化物以及钙钛矿等[3]。