催化技术在大气污染治理中的运用研究

侯 娴

（运城市生态环境宣教中心，山西 运城 043600）

工业化进程的飞速发展极大地便利了人们的日常工作和生活，但是化石燃料产生的废气废物对人类健康以及自然环境带来了严重的负面影响，大气环境治理工作刻不容缓[1]。催化技术最早出现于20 世纪初期，目前已经在环境保护领域的得到了广泛的应用。

1 大气污染现状

大气污染物主要包括CO2、CO、SOx、NOx以及非甲烷VOCs 等，其来源主要以化工厂、发电厂、汽车尾气排放为主。改革开放以来，我国经济快速发展，能源消耗不均衡的现象频发，煤炭消耗、化工厂排放所带来的的大气污染问题日益严峻。截止2022 年底，我国机动车保有量近3.2 亿辆，其中95%以上为燃油车，汽车尾气中一氧化碳和碳氢化合物占比超过80%，庞大数量的汽车尾气排放给大气造成了严重的污染[2]。

如表1 所示，CO2排放问题已经成为人类共同关注的问题。社会生产以及人类活动产生了大量的CO2，严重超过了地球自身的吸收能力。为解决CO2吸收不平衡的问题，各国制定了“碳达峰、碳中和”计划，并实施碳捕集策略。基于催化技术将CO2与CH4反应得到氢或者乙酸，或者在催化作用下与氨反应得到尿素，将其转换为可用的化学物质；SO2问题也是大气污染的治理的重点所在，基于环境催化技术可以将其催化还原转换为有用的化工产品单质硫磺；对于NOx来说，优选催化还原工艺，可将其催化转换为氮气和水等物质。

表1 大气主要污染物统计

2 催化技术在大气污染治理中的应用

2.1 催化技术

在大气污染治理过程中，应用催化技术可以有效地消除有害物质，减少对自然环境的二次污染。在大气污染治理领域，常用的催化技术包括选择性催化还原技术、催化净化技术、碳吸附氧化技术、纳米光催化技术等。

2.1.1 催化还原技术

对于大气中的氮氧化物来说，应用催化还原技术能够将其转化为无污染的氮气和水等，与此同时，借助脱硝方法能够有效提高还原效率，应用效果显著。在实际脱硝过程中，精准控制氨流量、反应温度（多选择290～420 ℃的环境）、优选催化剂是提高催化还原的关键，此外需要对未完全反应的催化物进行处理。

2.1.2 催化净化技术

该技术在汽车尾气污染治理领域应用较多。在实际中，基于SCR 催化技术，设置良好的尾气匹配温度，促进催化转型反应，提升尾气污染物质的转化率。利用尾气分析仪对CO 以及氮氧化物进行检测，落实催化净化技术的作用状况。

2.1.3 炭吸附氧化技术

该技术应用活性炭的强吸附能力，对大气中的硫化物等污染物进行吸附处理，减轻大气的污染程度。炭吸附氧化技术实施的关键在于选择合适的吸附剂，目前部分新型吸附剂能够较好的将硫化物从大气中深度分离出来。

2.1.4 纳米光催化技术

纳米光催化技术起源于20 世纪70 年代，在紫外光照射条件下，TiO2电极能够让正常状态下的水发生氧化还原反应。在特定的光照条件下，TiO2能够吸收短波光辐射，在光照能量作用下价带电子形成跃迁，依附于TiO2表层的H2O 和O2发生光化学反应，生成强氧化性能的超氧阴离子自由基，大气中的污染物被其氧化并降解为无机酸、CO2以及H2O 等成分。该技术充分应用了太阳能这一清洁能源，能够避免二次污染，优势明显[3]。TiO2作为具有强氧化功能的催化剂，活性高、毒性低，但是其劣势在于需要在波长小于388 nm 的紫外光照射下才能激发。传统光催化剂受限于光谱响应范围以及量子效率等问题，应用受限，研究人员针对光催化材料开展了大量的研究，比如对光催化剂表层性能、能带结构等进行调控，提高电子分离效率，保证纳米催化剂的高性能[4]。

2.2 实际应用

2.2.1 烟气脱硫方面

将SO2催化还原为单质硫磺工艺技术的核心原理是，将不充分燃烧产生的水煤气、CO 作用生成的氢作为还原剂，在催化反应器中将烟气中的SO2还原为单质硫，经冷却后得到化工产品硫磺[5]。如图1 所示，将除尘后的烟气预加热到250～300 ℃，在进入催化反应器前测定烟气中的SO2浓度以及不同组分的含量，基于此设置还原剂的用量，在400 ℃温度环境下实现烟气脱硫。

图1 SO2 催化还原为单质硫磺流程图

此外，也可以使用催化剂将SO2转化为SO3，并得到H2SO4等化工产品，其中较为常见的是碳基催化氧化SO2工艺，其流程是将工业烟气进行除尘处理，并调制成氧气体积分数为5%～15%的烟气水蒸气体积分数（6.5%～10%），在80～100 ℃环境下催化反应，获得质量分数为20%～30%的H2SO4产品。某企业炭基催化氧化法34×104m3/h 硫酸尾气脱硫项目技术指标对比情况见表2 所示，该方法应用效果较好，脱硫效率近95%。与传统脱硫方法相比，炭基催化氧化工艺流程短、操作简单，脱硫效率高，作为干法脱硫技术不会出现结垢、堵塞等问题。

表2 某企业脱硫处理项目技术指标对比

2.2.2 烟气脱硝方面

对于大气中的氮氧化物来说，其净化方式主要以燃烧过程、末端控制为主。燃烧过程指的是优化改善燃烧过程降低氮氧化物的生成，末端控制则是通过（非）催化法实现烟气脱硝。非催化法（SNCR）不依赖催化剂即可实现化学反应，存在能耗及费用高等问题，常见的有湿式吸收法、电子束照射法等；催化法（SCR）则是选用氨等还原剂与氮氧化物进行化学反应，脱除氮氧化合物，在工程实际中应用较多，其工艺流程见图2 所示。以氨作为还原剂的脱硝反应方程式为式（1）—式（3）：

图2 SCR 法工艺流程示意图

一般反应温度为180～600 ℃。催化法对催化剂要求较高，催化剂成本占比高达20%～40%，目前常见的催化剂有贵金属类催化剂（Pt-Rh、Pd 等）、非贵金属氧化物（Fe2O3、V2O5等）、沸石分子筛型催化剂等。贵金属催化剂的使用温度为180～290 ℃，分子筛型催化剂的使用温度一般为360～600 ℃。催化剂能够提升化学反应效率，其自身不会消耗，但其表面容易被污染，导致其催化效率下降。催化法在实际应用中容易出现的问题主要有：催化剂失活；烟气分布不均匀影响脱硝性能；烟气中的部分硫化物与NH3反应导致催化剂中毒等[6-7]。

2.2.3 VOCs 净化方面

常见的VOCs 净化方法包括源头控制和末端控制两大类，其中前者侧重优化生产工艺，降低其排放量，后者则是采用物理化学方法将其降解为低毒物质。催化燃烧是选择催化剂将大气中的VOCs 成分降解为CO2以及H2O 等无毒物质，其燃烧流程见图3 所示。与传统直接燃烧法相比，催化剂的加入可以降低反应温度至150～400 ℃，避免氮氧化物的生成。基于TiO2的纳米光催化技术能耗低、降解效率高，在室内空气净化方面应用较多。对于VOCs 的净化来说，催化剂的选择至关重要，其催化效率受温度、进气条件等多种因素的影响。温度过低，会影响化学反应效率；温度过高则可能造成催化剂烧结、失活。

图3 VOCs 催化燃烧流程图

2.2.4 尾气治理方面

对于汽车尾气的处理一般是选择催化剂促进HC、CO、NOx等有害物质的降解反应。汽车尾气治理催化剂主要涉及活性成分以及载体材料两部分，其中前者主要以贵金属催化剂（Pt、Rh、Pd）为主，此外也可引入La、Ce、Zr 等添加剂改善催化剂结构以及催化性能。早期的活性成为以Pt、Pd 为主，随着NOx排放被严格限制，三元催化剂（TWC）应运而生。因Rh、Pt 等贵金属价格昂贵，减少贵金属的使用、寻找替代品、提升碱金属氧化性能成为三元催化剂的重要发展方向。

3 结语

随着绿色环保理念的逐步普及，改善大气质量、解决大气污染问题越来越受到人们的关注。传统物理、化学等大气治理技术能耗高、工艺复杂，催化技术的出现给为人们提供了更为高效的治理思路[8]。催化剂作为重要的影响因素，其载体材料制备、活性组分性能改善、催化剂研发和制备是后续发展的重点方向。在实际中，结合不同催化技术的应用优势，针对性地选择催化手段，改善大气污染情况，助力生态建设的高质量开展。