【邦学堂】催化燃烧技术处理VOCs的基本原理和应用（下）
催化剂
1、什么是催化剂
催化剂是一种加快化学反应速率，本身质量和化学性质在反应前后不变的物质，能大大降低消除VOCs所需要的反应温度，通常是由载体、活性成分和助剂等组成。常用催化剂有：
（1）整体式催化剂：载体（堇青石陶瓷蜂窝）、活性组分（贵金属Pd、Pt和Rh，过渡金属氧化物）、助催化剂（稀土复合氧化物）。
（2）颗粒催化剂：一般以氧化铝小球为载体，颗粒尺寸：3~5；4~6mm。（贵金属Pd、Pt和Rh，过渡金属氧化物）、助催化剂（稀土复合氧化物）。颗粒催化剂（空隙率26%）总体催化效果不及蜂窝催化剂（空隙率70%）
2、催化剂活性成分
类别 | 活性成分 | 催化特点 | 优点 | 缺点 |
贵金属 | Pt、Pd、Ru等 | 对芳烃催化性能高，对酯、酮、含氮VOCs、含氯VOCs低 | 低温催化燃烧最常用的催化剂，催化活性高，选择性好，抗毒性好，热稳定性高 | 资源稀少、价格昂贵 |
非贵金属 | 过渡金属铜、锰、铬等以及钙钛矿型复合氧化物等 | 对芳烃催化性能低，对酯、酮、含氮VOCs、含氯VOCs高 | 价格较低，耐高温热稳定性较好 | 催化活性较低，起燃温度要求较高 |
（1）贵金属催化剂一般规律：
贵金属催化剂(0.6g/L)的实验室性能(20000-1)，工业装置使用温度：320-350度；空速20000-1。
（2）非贵金属催化剂一般规律：
一般以CuO、MnOx、FeOx等为活性成分，有利于将含氮有机物中的N转化为N2
非贵金属催化剂的实验室性能(20000-1)，工业装置使用温度：300-350度；空速15000-20000-1。
（3）几点认识
1）贵金属含量是催化剂的主要成本，决定了催化剂的成本。
2）贵金属含量不是决定催化剂性能的唯一因素。
3）相同贵金属含量的催化剂其催化性能会有本质的差别。
4）相同贵金属含量催化剂的性能由催化剂的制备技术来决定。
5）根据处理对象，对催化剂配方要进行合理的调整
3、催化剂的载体及负载方式
催化剂的活性成分负载在较大比表面积的载体上。催化反应中，载体除了要负载分散活性成分，还能增加催化剂的稳定性、选择性和活性等，对催化效果和寿命也有很大的影响。
（1）催化剂的载体主要有两类，一类是球状或片状，另一是整体式多孔蜂窝状。
载体 | 优点 | 缺点 |
金属载体 | 导热性能好、机械强度高 | 比表面积较小 |
颗粒状载体 | 比表面积大 | 压降大，载体间相互摩擦造成的活性组分磨耗损失 |
蜂窝陶瓷载体 | 理想的载体型式，有很高的比表面积，压力降较片状、粒状、柱状载体低，机械强度高，耐磨性、耐热冲击能力强 |
（2）催化剂活性成分可通过下列方式沉积在载体上：1）电沉积在缠绕或压制的金属上；2）沉积在颗粒状陶瓷材料上；3）沉积在蜂窝结构的陶瓷材料上。
4、催化剂的制备
整体式催化剂：堇青石蜂窝，金属蜂窝载体
颗粒催化剂：第二载体Al2O3，活性组分Pt、Pd、Rh，助催化剂CeO2等
5、催化性能的综合评估
（1）催化温度，耐热温度（实验室转化率达到99%所需要的低反应温度耐热温度；或催化燃烧的工作温度）；
（2）价格；
（3）使用寿命，2年左右；
（4）催化剂中毒。
6、催化剂的用量、填装、温度点
按照空速15000h-1计算，一立方米催化剂处理的有机废气量为15000m3，以此类推。常用催化剂规格：100*100*50；200目；催化剂填装高度：200-300mm。
催化剂填装的三种模式：
7、催化反应床及设备选择
（1）催化反应床
1）保证进入催化床层的有机废气的气体分布和温度分布均匀。
2）催化床中催化剂的填装要紧密、同时要考虑热胀冷缩，以免产生气体短路，导致净化效率的下降。
（2）设备选型的程序：
1）前期工作：风量、VOCs浓度、VOCs成分；
2）中期工作：催化剂对VOCs实验室小试；VOCs浓度过大和过小，应对方案（VOCs浓度的计算：涂料中溶剂挥发量/风量）
3）后期工作：设计方案
关于催化剂
1、催化剂使用的常见问题及措施
（1）有机废气的浓度应在爆炸极限的安全范围之内，8000mg/m3。
（2）催化剂在使用前，应用小风量催化剂床预热至300℃以上，方可进入有机废气。为保证催化剂长期使用，催化剂最佳使用温度控制在320-450℃。
（3）应避免通入含有树脂、高沸点聚合物、重金属，及含氟、磷、硫、砷、含氯有机物等使催化剂中毒的物质。
（4）有机废气中氧气含量应大于5%。
2、催化剂中毒
（1）由于反应温度过低导致的催化剂表面积炭——高温再生
（2）涂料挥发过程携带灰分在催化剂表面的沉积——酸洗再生
（3）P、F、Pb等中毒——生成F化物、P化物、含Pb合金
（4）催化剂高温失活——活性组分的团聚，催化剂表面贵金属离子变大；催化剂成分之间的固相反应，活性相消失；载体相变，比表面积收缩。
（5）减少催化剂活性的衰减：按操作规程精准地控制反应条件；对废气进行预处理，防止催化剂中毒；改进催化剂制备工艺，提高催化剂耐热性和抗毒能力。
催化燃烧技术是处理VOCs主要技术之一，其技术核心是催化剂和设备设计，根据处理对象，选择合适的催化剂，提高催化效率。贵金属催化剂的催化活性和选择性好，但资源稀缺，价格昂贵。降低贵金属含量，提高催化剂的性价比，开发高性能的非贵金属催化剂是今后的研究方向。由于实际过程中，VOCs种类及成分等的复杂性，对于催化燃烧技术，如何避免催化剂活性下降是工业应用的关键。
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推荐教授
罗孟飞，博士，浙江师范大学教授，先进催化材料教育部重点实验室主任，浙江省二级教授，中国化学会催化学会委员，浙江省固体表面反应化学重点实验室主任，苏州大学博士生导师，浙江省151人才第一层次入选者，省高校中青年学科带头人，校“双龙学者”特聘教授。主要从事多相催化、催化新材料等方面的研究。已在国内外期刊上发表研究论文100余篇，其中SCI收录40余篇，EI收录9篇。曾获3项国家发明专利、浙江省科学技术三等奖、浙江省人民政府科技进步三等奖、浙江省教育厅科技进步二等奖。
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