VOCs催化氧化综述

上传日期:2019-12-02 浏览次数:17 返回列表>>

【概述】

作者从VOCs的种类、反应机理、贵金属及非贵金属催化剂和催化剂的失活和再生等几个方面介绍了VOCs催化氧化的最新研究成果。本文发表于2016年,2016年至今研究成果有不小的发展,但仍对了解VOCs的催化氧化知识有一定帮助。

【主要VOCs种类及来源】

1、卤代挥发性有机物

卤代挥发性有机物具有较强的生物积聚性、高毒性和抗降解性。氯代甲烷类(PCMs)是最常见的污染物质,通常来源于化学萃取剂、油漆、粘合剂、制药过程、聚合物合成反应溶剂和清洁剂中。

2、醛类

甲醛和乙醛是最常遇到的醛类VOCs醛类是最重要的室内污染物之一,大多数来自于装饰材料的释放。暴露在低浓度的醛类空气中,可能引起咽喉刺激和胸闷。高浓度时将引起中毒。因此在常温下对醛类进行氧化具有重要的意义。

3、芳香族化合物

苯、甲苯和乙苯常出现在石油产品的生产过程中,因此液体燃料的不完全燃烧会产生大量的芳香族化合物。芳香族化合物不但有毒性,也会对臭氧造成严重的破坏,产生光化学烟雾和诱变伤害。

4、多环芳烃

多环芳烃在结构上通常由多个苯环组成。常由燃烧过程产生。常见的有萘、菲、芘,多环芳烃通常为致癌物质,应严格限制其排放。

5、酒精和酮

酒精和酮常出现在化妆品和个人护理用品中,如指甲油,去指甲油,古龙,香水。乙醇、异丙醇苄基醇、丙酮、甲丙烯酸酯、乙酸乙酯等是常见的物质。

6、其他

烯烃类如乙烯、丙烯,MTBE等也是挥发性有机物。

VOCs催化氧化动力学及机理】

由于污染物特性和反应条件的不同,采用广泛使用的方程及反应机理还存在一定困难。研究表明,分子量越大,被氧化的难度也就越高。

VOCs催化反应机理主要分为三类:

1Marsevan Krevelen (MVK) model

MVK 模型认为反应发生在被吸附的VOC与催化剂上的晶格氧之间,反应分两步进行(见Fig.1),首先,VOC与催化剂中的氧反应,造成催化剂中金属氧化物被还原,然后,被还原的金属氧化物又被气相中的氧气氧化。因此,该模型也被称为氧化还原模型。催化氧化的反应速率可以用下边方程式表达:

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2Langmuir-Hinshelwood (L-H)mechanism

L-H模型认为反应发生在被吸附的VOC和被吸附的氧之间。因此,VOC和氧气能够吸附在催化剂表面就特别重要。VOCs和氧吸附在相同类型的活性位点采用单点位模型(公式3),吸附在两种不同类型的活性点位采用双点位模型(公式4)。模型的主要优势在于不仅考虑了反应速率,也考虑了VOC和氧气的吸附。

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3EleyeRideal (E-R) mechanism


E-R模型认为反应发生在吸附的氧物种和气相中的反应物之间。反应速率公式如下:

上述模型的有效性取决于催化剂的性质和VOC的特性。无论如何,总能找到一个模型能够表达VOC在金属氧化物和贵金属催化剂的反应实验数据。


VOCs氧化催化剂】

VOCs催化剂大致可分为贵金属催化剂、非贵金属氧化物催化剂和混合金属催化剂。金属氧化物催化剂价格便宜,抗中毒性强,但是不耐用且效率低。通常,金属氧化物负载在负载在适合的载体上,热稳定性强,比表面积高的载体是首选。

1、贵金属催化剂

负载贵金属的催化剂以其效率高受到广泛青睐。主要的载体是单片或者蜂窝形式的陶瓷或金属材料。贵金属催化剂容易因烧结或者中毒而失活,催化剂的选择性不强,在氯化物存在时不稳定。催化剂的性能取决于制备方法、前驱体类型、颗粒直径、金属负载量、VOC浓度、反应器类型和气体流速等因素。

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