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VOC催化劑



1、催化劑的主要性能指標 

在空速較高,溫度較低的條件下,有機廢氣的燃燒反應轉化率接近 高, 表明該催化劑的活性較高。催化劑的活性分誘導活化、穩定、衰老失活3個(gè)階段,有一定的使用限期,工業(yè)上實(shí)用催化劑的壽命一般在2年以上。使用期的長(cháng)短與較佳活性結構的穩定性有關(guān),而穩定性取決于耐熱、抗毒的能力。對催化燃燒所用催化劑則要求具有較高的耐熱和抗毒的性能。有機廢氣的催化燃燒一般不會(huì )在很?chē)栏竦牟僮鳁l件下進(jìn)行,這是由于廢氣的濃度、流量、成分等往往不穩定, 因此要求催化劑具有較寬的操作條件適應性。 催化燃燒工藝的操作空速較大,氣流對催化劑的沖擊力較強,同時(shí)由于床層溫度會(huì )升降,造成熱脹冷縮,易使催化劑載體破裂,因而催化劑要具有較大的機械強度和良好的抗熱脹冷縮性能。 




2、催化劑種類(lèi) 
目前催化劑的種類(lèi)已相當多,按活性成分大體可分3類(lèi)。 
2.1 貴金屬催化劑
鉑、鈀、釕等貴金屬對烴類(lèi)及其衍生物的氧化都具有很高的催化活性,且使用壽命長(cháng),適用范圍廣,易于回收,因而是常用的廢氣燃燒催化劑。如我國較早采用的 Pt-Al2O3催化劑就屬于此類(lèi)催化劑。但由于其資源稀少,價(jià)格昂貴, 耐中毒性差,人們一直努力尋找替代品或盡量減少其用量。

2.2 過(guò)渡金屬氫化物催化劑
作為取代貴金屬催化劑,采用氧化性較強的過(guò)渡金屬氧化物,對甲烷等烴類(lèi)和一氧化碳亦具有較高的活性,同時(shí)降低了催化劑的成本,常見(jiàn)的有MnOx、CoOx和CuOx等催化劑。大連理工大學(xué)研制的含MnO2催化劑,在130℃及空速13000h-1 的條件下能消除甲醇蒸氣,對乙醛、丙酮、苯蒸氣的清除也很有效 果。 

2.3 復氧化物催化劑
一般認為,復氧化物之間由于存在結構或電子調變等相互作用,活性比相應的單一氧化物要高。主要有以下兩大類(lèi): 
1)鈣鈦礦型復氧化物
稀土與過(guò)渡金屬氧化物在一定條件下可以形成具有天然鈣鈦礦型的復合氧 化物,通式為 ABO3,其活性明顯優(yōu)于相應的單一氧化物。結構中一般 A 為四面 體型結構,B 為八面體形結構,這樣 A 和 B 形成交替立體結構,易于取代而產(chǎn) 生品格缺陷,即催化活性中心位,表面晶格氧提供高活性的氧化中心,從而實(shí)現 深度氧化反應。常見(jiàn)的有幾類(lèi)如:BaCuO2、LaMnO3 等。 

2)尖晶石型復氧化物

作為復氧化物重要的一種結構類(lèi)型, 以 AB2X4 表示.尖晶石亦具有優(yōu)良的深 度氧化催化活性,如對 CO 的催化燃燒起燃點(diǎn)落在低溫區(約 80℃),對烴類(lèi)亦在低溫區可實(shí)現氧化。其中研究較為活躍的 CuMn2O4 尖晶石, 對芳烴的活性尤為出色,如使甲苯燃燒只需260℃,實(shí)現低溫催化燃燒,具有特別實(shí)際意義。 




3、催化劑負載方式
催化劑活性組分可通過(guò)下列方式沉積在載體上:
1)電沉積在纏繞或壓制的金屬載體上;
2)沉積在顆粒狀陶瓷材料上;
3)沉積在蜂窩結構的陶瓷材 料上。 金屬載體催化劑一般是將金屬制成絲網(wǎng)或帶狀,然后將活性組分沉積在其上。金屬載體催化劑的優(yōu)點(diǎn)是導熱性能好、機械強度高,缺點(diǎn)是比表面積較小。 陶瓷載體結構有顆粒狀及蜂窩狀兩大類(lèi),陶瓷材料通常為硅-鋁氧化物。

顆粒狀載體的優(yōu)點(diǎn)是比表面積大, 缺點(diǎn)是壓降大以及因載體間相互摩擦,造成活性組分磨耗損失。蜂窩載體是比較理想的載體型式,具有很高的比表面,壓力降較片粒柱狀低,機械強度大,耐磨、耐熱沖擊。




4、催化劑失活與防治 

4.1 催化劑失活催化劑在使用過(guò)程中隨著(zhù)時(shí)間的延長(cháng),活性會(huì )逐漸下降,直至失活。


催化劑失活主要有以下 3 種類(lèi)型:
1)催化劑失活。使催化劑失活的物質(zhì)包括快速和慢速作用毒物兩大類(lèi)??焖僮饔枚疚镏饕辛?、砷等,慢速作用毒物有鉛、鋅等。通常情況下,催化劑失活是由于毒物與活性組分化合或熔成合金。對于快速作用毒物來(lái)說(shuō),即使只有微量,也能使催化劑迅速失活。在500℃以下時(shí),慢性作用毒物使活性物質(zhì)合金化的速度要慢得多。

2)抑制催化反應。鹵素和硫的化合物易與活性中心結合,但這種結合是比較松弛、可逆的、暫時(shí)性的。當廢氣中的這類(lèi)物質(zhì)被去除后,催化劑活性可以恢復。

3)沉積覆蓋活性中心。不飽和化合物的存在導致碳沉積, 此外陶瓷粉塵、鐵氧化合物及其他顆粒性物堵塞活性中心,從而影響催化劑的吸附與解吸能力,致使催化劑活性下降。 

4.2 催化劑失活的防治

針對催化劑活性的衰減,可以采取下列相應的措施:按操作規程,正確控制 反應條件;當催化劑表面結碳時(shí),通過(guò)吹入新鮮空氣,提高燃燒溫度,燒去表面結碳;將廢氣進(jìn)行預處理,以除去毒物,防止催化劑中毒;改進(jìn)催化劑的制備工藝,提高催化劑的耐熱性和抗毒能力。 




5、燃燒動(dòng)力學(xué) 

當有機廢氣在金屬氧化物催化劑上燃燒時(shí), 碳氫化合物的氧化反應是經(jīng)過(guò)表面氧化還原作用循環(huán)實(shí)現的。這一機理是由Mars-Van Krevelen提出,反應機理如下:式中,Ri—碳氫化合物物種 i。相應反應動(dòng)力學(xué)模型方程式可表達為: 式中,ki、koi—分別碳氫化合物物種i及氧的反應速度常數, C i、Coi—分別碳氫化合物物種 i 及氧的濃度,Vi—每摩爾碳氫化合物物種i氧化所需氧摩爾數。 實(shí)驗表明碳氫氧化反應速度對碳氫的反應級數位于0和1之間。

 

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