催化燃燒（shāo）技術（shù）有（yǒu）可能（néng）成為VOCs治理有應用前景的
所屬分類：技術培訓發布時（shí）間：2020-05-25 10:20:38
催化燃（rán）燒技術有可能成為VOCs治理有應（yīng）用前景的摘要
在我國，VOCs已經作為一種汙（wū）染（rǎn）物開始進行係（xì）統（tǒng）的防治，國內外對VOCs的治理技術也（yě）開展了（le）大量的研究和實踐。VOCs的治理技術多種多（duō）樣，在應用（yòng）中應（yīng）該根據工廠的實際情況做出合理的選擇
在我國，VOCs已（yǐ）經作為一種汙染物開始進（jìn）行係統的（de）防治，國內外對VOCs的治理技術也開展了大（dà）量的（de）研究（jiū）和實踐。VOCs的治理技術多種多（duō）樣，在應用中應該根據工（gōng）廠的實際情況做出合（hé）理的選擇。專家認為，催化（huà）燃燒（shāo）技術因起燃溫（wēn）度低、適用範圍（wéi）廣、沒有二次汙染等特點成為有應用前（qián）景的VOCs處理技術之一。
揮發性有機化合物(VOCs)是空氣汙染（rǎn）的主要物質之一，能產（chǎn）生光化學煙霧，同時也是PM2.5的重要前（qián）驅（qū）體。VOCs的治理技術主要分為回收與銷毀兩大類，在這些治理技術中，催化燃燒技術由於起（qǐ）燃溫度低、適用範圍廣、沒有二次汙染等特點成為有應用（yòng）前景的處理技術之一（yī）。這篇（piān）文（wén）章綜述了（le）VOCs治理技術，並著重介紹了催化燃（rán）燒VOCs的研究進展（zhǎn）。
揮發性有機化（huà）合（hé）物(VOCs)是指（zhǐ）室溫下飽和（hé）蒸氣（qì）壓大於70Pa、常（cháng）壓沸點低於260°C的有機化合物。VOCs種類繁多，絕大部分具有刺（cì）激性氣味，能夠引起（qǐ）中毒、致癌作用，而且VOCs是形成光化學煙霧與大氣顆粒物質PM的重要來（lái）源。我國作為製造業大國，，其中工業生產排放（fàng）的VOCs由於其排放濃度高（gāo）、持續（xù）時間長、汙染物種類多、對區域內（nèi）的空氣質量影響顯著，所以急需治理。
為了有效治理VOCs的汙染，國家製定了一係列法律法規。2016年1月1日起施行的修訂版《大（dà）氣汙染防治法》首次將VOCs納入監管範圍，同時，首次將VOCs列入國家發展規劃中，計劃（huá）“十（shí）三五”期（qī）間，在重點區域、重點行（háng）業，其排（pái）放總（zǒng）量下降10%以上，預估共1000多萬tVOCs。目前我國VOCs排放量較高的地區主要是京（jīng）津冀、長江三角洲和珠江三角洲這些經濟和工業比較發達的地區，VOCs逐漸成為這些地區大氣汙（wū）染治理領域的重點（diǎn）。北京市率先進行VOCs排汙費的征收，其收（shōu）費標準為20元/kg，高可達40元/kg。至今已有北京、上海（hǎi）、河北、江蘇等16個省市陸續發布了揮發性有機物排汙費征收細則。
在我國，VOCs已經作為一種汙染物開始進行係統的防治，國內外對VOCs的治（zhì）理技術也開（kāi）展了大量的研（yán）究（jiū）和實踐，環保部也征集和（hé）篩（shāi）選了一批VOCs汙染防治的先進技術，編寫了(2016年國家（jiā）先進汙染防治技術目（mù）錄(VOCs防治（zhì）領域)》，其治理技術主要分為回收（shōu）與銷毀。
回收技術一（yī）般是通過物理方法例如改變溫度或壓力將（jiāng）有機物進行分離，包（bāo）括吸收、吸附、冷凝、膜分離等技術，回收的VOCs可經過簡單純化後再度利用，或進行集中處理。
吸收技術是采用不易揮發的有機溶劑對廢（fèi）氣進行（háng）吸收，將VOCs溶（róng）解（jiě）在溶（róng）劑中。該技術能在（zài）有機廢氣流（liú）量大、濃度高時使用，但吸收劑循環運行的操作費用（yòng）較高，限（xiàn）製了該技術的發展。吸附技術是使用活性炭、分子篩等多孑L吸附材料（liào）將廢（fèi）氣（qì）中的（de）VOCs吸附於吸附劑表麵，從而達到分離的目的。雖然吸附技（jì）術應用廣（guǎng）泛，但該技術隻適用於低濃度VOCs，高濃度VOCs將（jiāng）導致吸附劑的頻繁再生，不僅增加廢（fèi）氣處（chù）理的成本，而且再生的過程也存在VOCs逃（táo）逸的（de）危險。冷凝技術指將係（xì）統壓力增加或係統溫度降低，讓氣體中（zhōng）的VOCs冷凝成液體，從而將其除去。但冷凝過程需（xū）要低溫高壓，消耗的能量較大，而該技術（shù）對低濃度與低沸點VOCs淨化效果不理想。膜分離（lí）技術是利用空氣（qì）和VOCs穿透能力（lì）的不（bú）同或依靠膜的選擇性將氣體混合物中不同的分子分離。但由（yóu）於滲透（tòu）膜價格昂貴，主要（yào）應用於回收有價值的（de）有機化合物。
銷毀技術則是用微生物、熱或催化劑等化學或生化反應將有機（jī）物分解成無汙染的水、二氧（yǎng）化碳等無毒無害的小分子化合物，包括生物技術、熱力焚燒、光催化（huà）與（yǔ）催化燃（rán）燒（shāo）技術。
生物技術的實質是微生物在新（xīn）陳（chén）代謝中，將廢氣中的有機物分解為二氧化碳和水，同時為自己提供能量。但微生物對生存環境要求苛刻，且生化反應的速率比較低。熱力焚燒技術是指將（jiāng）廢氣溫度升高至著火點而將VOCs迅速燃燒為無害氣（qì）體（tǐ）。該法工藝簡單，處理效率高，但是在燃燒過程中，能量消耗巨大，同時（shí）高溫產生的氮氧化物、有機（jī）物不完全燃燒產生的二惡英（yīng），都會造成環境（jìng）的二次汙染。光催（cuī）化技（jì）術利用光催化劑在光照條件下，將VOCs分解為水和二氧化碳等。由於光催化反（fǎn）應緩慢（màn），效率較低，因此應用並不廣。催化燃燒技術指在低於著火點的溫度（dù）下，VOCs在催化劑（jì）表麵迅速氧化為水和二氧化碳。該技術因起燃溫度低、適（shì）用範圍廣（guǎng）、沒有二次汙染等特點成為有應用（yòng）前景的VOCs處理（lǐ）技術之一。
由於各個行（háng）業的VOCs種類、濃度和性質等都有（yǒu）所差異，僅使用一種處（chù）理技術難以達到高效率，因（yīn）而常將多種技術進行有機的組合，這類組合處理技術具有較強（qiáng）的針對性和互補性，處理效果遠優（yōu）於單一治理技術，其中（zhōng）應用為廣泛的（de）就是將吸附濃縮（suō）技術與熱力焚燒或催化燃燒技術進行組合。該組合技術通過沸石轉輪的旋轉，在（zài）轉輪上（shàng）同時完（wán）成氣體的吸附與再生過程，將低濃度、大風量的有機廢氣濃縮為高濃度、小流量的濃縮氣體，濃縮後的VOCs進入蓄熱式的焚燒爐而將其焚燒或催化燃燒成水和（hé）二氧化碳。
這些VOCs處理技術（shù）都有（yǒu）各自的優缺點，工藝中選用（yòng）哪種技術應視具體情況而定。盡管催化燃燒技術無法回收有用的VOCs，並且受其濃度及流量的限製，但目前仍是治理VOCs有效的方法之一。
催化（huà）燃燒是有機氣體在較（jiào）低的溫度下，於（yú）催化劑表麵發生（shēng）無火焰燃燒而分解為二氧（yǎng）化碳和水蒸汽，並釋放熱（rè）量。催化燃燒技術的核心是催化（huà）劑，要求催化劑具有（yǒu）較（jiào）低的起燃溫度、較寬的（de）溫（wēn）度窗口以及良（liáng）好（hǎo）的熱穩定性和機械強度。催化（huà）燃燒VOCs催化劑按（àn）照使用活性組分的不同可以將（jiāng）分為兩大類：一類是貴金屬催化劑，包括（kuò）Pt、Pd、Au等;另一類是非貴金屬催化劑，包括Cu、Mn、Ce、Co、Fe等。
貴金屬催化劑由於其催化活性高、起燃溫度低，而被廣泛應用於VOC消除反應中。Huang等將Pd、Pt、Au、Ag、Rh負載於（yú）^y—A1203載體上，用於鄰二甲苯的催化燃燒反應，結果（guǒ）發現在相同的工（gōng）況下，其催化性能順序為：Pd>Pt>Ag>Rh>Au;而Jung等同樣將Pd、Pt、Ru負載於（yú）一（yī）A1203之上，察其對甲醇的催化燃燒性能，從實驗結果（guǒ）的完全轉化溫度分析，其催化性能順序為Pt>Ru>Pd，這與Huang的測試結果不一樣，說明對於（yú）不（bú）同的反應物，催化劑所呈現的性能存在一定的差異。
除了活性組分的種類，活（huó）性組分負載於載體表（biǎo）麵的方（fāng）法也對催化（huà）劑催化氧化VOCs效果有一定影（yǐng）響，如（rú）Walerczyk等分別（bié）用微波加熱法與（yǔ）共浸漬法製備了Pt/ZnA10用於催化（huà）氧化異（yì）丁烷，結（jié）果發現低負載量時，微波加熱法有（yǒu）助（zhù）於Pt粒子的分散，而使得該方法製得的催化劑性能優於共浸漬法。貴金屬催化劑中，研究與應用比較多（duō）的主要是Pt與Pd催化劑（jì），而Au催化劑也（yě）得到了一（yī）定研究。Aboukais等（děng）通過對比不同製備方法製備（bèi）的Au/CeO：催化劑的理（lǐ）化性質及催化（huà）性能，認為活性金屬的高價（jià）氧化態是其高催化活性的主要原因，同時認為，這也是影響Ag/CeO催化（huà）劑性能的主要原因。Ag催化劑（jì）在催化燃燒VOCs時，其（qí）催化性能（néng）並不突出（chū），而（ér）多被應用於等離子體協同催化處理VOCs。
雖然（rán）貴金屬催化劑在催化燃燒（shāo）VOCs方麵有（yǒu）很多優點（diǎn），但在水（shuǐ）蒸汽、鹵素存在的（de）情況下（xià），貴金屬催化劑會出現中毒失活的情況。貴金屬催化劑熱穩定性（xìng）差和抗毒性差等缺點，已經（jīng）不能完全滿足（zú）當前（qián）日益嚴（yán）格的有機廢氣排放（fàng）要求。
非貴金屬過渡金屬活性不及貴金屬，它們一般通過相互摻雜或加入其他金屬氧化物，形成（chéng）多組分複合金屬氧化物催化劑。複合金屬氧化物催（cuī）化劑往往比單一組分金屬氧化物催化劑表現出更高（gāo）的活性和更好的（de）穩定性。顧歐昀等（děng）以CuO和MnO，為活性組分，通過（guò）相互摻雜（zá）用於催化燃（rán）燒甲（jiǎ）苯。試驗結果發現，銅錳（měng）複合氧化物催化劑，尤其是摻雜低濃度銅（tóng）的氧（yǎng）化錳（měng），其催化燃燒甲苯的性能要優於單組份催化劑，究其根本原因是銅（tóng）物種與錳物種之間存（cún）在較強的相互協同作用，尤其是在催化（huà）活性較優的銅錳配比（bǐ）催化劑中形成了結晶度較低的尖晶石結構。很多複合（hé）金屬（shǔ）氧化物催化劑之間都能產生這種（zhǒng）協同效應，如Mn—Ce氧化物、Mn—Cu氧化（huà）物、Ce—cu氧化物等。這些複合（hé）金屬氧化物在相（xiàng）互作用的過程中會形成尖晶石(ABO)結構或鈣鈦（tài）礦(ABO)結構。
尖晶石催化劑具有很好的活性與穩定性。Hos.seini等（děng）製備了MCr2O4(M：Co，Cu，Zn)尖晶石催（cuī）化劑用於考察對異丙醇的催化性能，其中Zn—cr2O表現的性能為優異，這可能是由於ZnO與ZnCrO之（zhī）間的相（xiàng）互協同作（zuò）用，使得催化劑（jì）表（biǎo）麵（miàn）具（jù）有大量的表麵氧與Cr¨一Cr6活性對，促進了反應的進行。而ZnCr：O與CuC——O在15h內活性沒有明顯下降，其良好的穩定性歸結於表麵出現（xiàn）的（de）大量Cr離子。
Rezlescu等通過對比一係列尖晶石結構與鈣鈦（tài）礦結構催化劑催化燃燒丙酮的性能，發現鈣鈦（tài）礦結構催化劑的T95在300cC，而在這個溫度點，尖晶石結構催化劑活性隻有70%，這與鈣鈦礦的（de）特定空間結構是密不可分的。鈣鈦礦結構中，B位為過渡（dù）元素離子，是催化劑的活性位;A位離（lí）子一般是稀土元素或堿土金屬元素，用於保持鈣鈦礦骨（gǔ）架結（jié）構的穩定性，但是A位元素價態的變化可以影響到B16位元素的價態，從而（ér）間接影響鈣鈦礦催化劑的性能，而且A位與B位都（dōu）可以進行離子摻雜，產生多種對催化反應有利的畸變和晶格缺陷（xiàn）。
過渡金屬催化劑的性能受水蒸汽的影響很大。Li等用（yòng）CuMnO催（cuī）化氧化甲苯時，當在反應氣體中加入少量水蒸汽後，其活性明顯降低，因為氣體（tǐ）中的（de）水分子會吸附於活性位（wèi）點且不易脫（tuō）附，造成能夠催化氧化甲苯的活性位（wèi）點（diǎn）大量減少，從而降低催化（huà）劑的性能。
大多的研（yán）究都隻選用單種VOCs氣體進行性（xìng）能測試，而在實際（jì）的工業生產中排放（fàng）的廢氣往往含有多種VOCs成分，多組分VOCs混合催化氧化與單組分VOCs氧化不同。多組分（fèn）反應（yīng）時低燃點組分反應生成的熱量能為（wéi）後續的反應提（tí）供能量，而使得各組分轉化率提高。
但He等將Pd/SBA一15催化劑用於催化苯（běn）、甲（jiǎ）苯、乙酸乙（yǐ）酯兩兩混合的氣（qì）體時發現，混合氣體的活性要低於單一氣體；Jin等將甲苯、乙（yǐ）酸乙酯、二氯（lǜ）甲（jiǎ）烷三組分混合氣體經Pd/Cr：O一ZrO催化氧化，發（fā）現其性能不及催化氧化單組份氣體的性能。這是由於催化劑上催化氧化VOCs的活性位（wèi）點是一樣的，所以在催化過（guò）程中，不同的VOCs之間在會（huì）產（chǎn）生競爭吸附而導致各組分（fèn）活（huó）性降低，這也是VOCs催化燃（rán）燒技術的一大難題。
VOCs的治理技術多種多樣（yàng），在（zài）應用中應該根據工廠（chǎng）的實際情況做出合理的選擇，將多種治理技術有（yǒu）機的結（jié）合應用（yòng）將成為今後的熱點，其中催化燃燒技術因起燃溫度低、適用（yòng）範圍廣、沒有二次汙染等特點成為有應用前景的VOCs處理技術之一。
作為催化燃燒VOCs的核心，貴金屬催化劑雖然催化（huà）性能優異，但昂貴的（de）價格限製了（le）它（tā）的應（yīng）用，如何有效的提高貴金屬的抗中毒性、穩定性以及在性能不變的情況下實現貴金屬的超低量負載將（jiāng）是以後的研究方向;非貴金屬催化劑雖然價格便宜，但性（xìng）能不及貴金屬催（cuī）化劑，今（jīn）後的研究方向應是提高其催化（huà）活性。而如何減少多（duō）組分VOCs在反（fǎn）應過程中的競爭吸附將是催化燃燒技術的主要挑戰。
