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揮發性有機廢氣處理催化氧化技術

　　1.VOCs污染現狀

　　近年來,隨著生態環境的逐漸惡化,揮發性有機物的污染治理越來越受到社會各界專家和學者的廣泛重視。國內環保法律法規出臺和標準的制定也越發嚴格，對大氣環境的治理刻不容緩。常規的大氣污染物包括顆粒物、二氧化硫、氮氧化物和揮發性有機物等。揮發性有機物( Volatile organic compounds簡稱VOCs) ，通常指常壓下沸點處在50-260 ℃的有機化合物，范圍涉及廣泛，如烷烴、芳香烴、醇類、醛類、酮類和酯類等。許多VOCs毒性很大，包括熟知的甲醛、苯、丙酮和苯乙烯等。

　　2.VOCs來源以及危害

　　VOCs來源源包括生活源、交通源和工業源3類，隨著我國社會的進步和經濟的發展，直接排放的、VOCs導致的污染和VOCs通過一系列反應導致的二次污染( 如光化學煙霧) 格外嚴重，保護環境的形勢也更加嚴峻。生活中VOCs 的來源包括裝修、餐飲業的油煙和日化用品等; 交通中VOCs的來源主要是機動車的尾氣; 工業中排放的VOCs種類最多，涉及面最廣，包括石化、印刷、噴涂和塑料等行業。

　　由此可見，VOCs的來源廣泛，其排放不僅會危害大氣環境，產生光化學煙霧; 還會對人類健康造成影響，誘發一系列疾病。因此，迫切需要尋找對VOCs有效的治理技術，以降低VOCs 的排放量。

　　3.VOCs治理技術

　　VOCs的控制和治理技術主要包括回收技術和破壞技術，根據不同的廢氣種類和濃度，可選用不同的方法。對于濃度較高、氣體單一和價值較高的VOCs，可進行回收再利用。回收技術主要包括吸附技術、吸收技術、冷凝技術和膜技術等。對于中低濃度( 一般為5000mg/m?以下)和氣體復雜、沒有利用價值的VOCs，可采用破壞技術進行消除，主要包括催化燃燒技術( 催化氧化技術) 、熱力焚燒技術、生物技術和等離子體技術等。

　　吸附法和吸收法是指利用吸附劑或吸收劑將工業廢氣中VOCs 吸附或吸收，其實質只是將VOCs 從廢氣中轉移到吸附劑的孔道中或吸收液中，并非將VOCs 消除，因此是一種不徹底的處理技術，易產生二次污染，在工業中的很多場合限制了其應用。冷凝技術是指利用不同氣體飽和蒸氣壓不同，通過降低溫度，將廢氣中的VOCs 冷凝為液體并進行分離，回收有利用價值的VOCs，冷凝技術的缺點是應用范圍較窄，一般用于較高濃度且成分單一的VOCs 回收。膜技術是指利用膜作滲透介質，利用不同氣體透過膜的能力和速度不同，將VOCs 氣體從廢氣中分離開，膜技術的優點是應用范圍廣，缺點為分離不徹底。以上幾種方法均為物理方法分離VOCs，治理不徹底，還需進行二次處理。

　　熱力焚燒技術是處理VOCs 比較徹底的技術之一，適用于濃度較高的VOCs 廢氣，反應徹底，但反應過程溫度較高，造成熱能浪費，且高溫下空氣中的氮氣和氧氣容易發生反應產生氮氧化物，引起二次污染；生物技術設備和占地面積均較大，處理效率慢，且可處理的VOCs 種類單一；等離子體技術是近年發展起來的一種新技術，但是此技術存在安全隱患，而且處理效率較低，很難達到環保的排放要求。

　　在眾多VOCs 處理技術中，催化氧化技術是徹底消除VOCs 比較有效方法之一，具有設備簡單、能耗低、消除效果好和無二次污染等特點。催化劑在催化氧化反應中扮演著降低反應活化能的角色，使得催化氧化技術較直接燃燒所需溫度大大降低。目前已經把催化氧化技術作為重點推薦的有機廢氣處理技術。

　　4.催化氧化技術介紹

　　催化氧化技術是近年來廢氣處理工程應用越來越廣泛的VOCs 處理技術，為典型的氣-固催化反應，其本質為VOCs 分子深度催化氧化反應，催化劑在反應中起到的作用是吸附反應物分子和降低反應活化能，從而在降低反應溫度的同時加快反應速率，生成對環境友好的水和二氧化碳，無二次污染。

　　4.催化氧化機理介紹

　　根據催化劑的種類差別，在貴金屬催化劑和非貴金屬催化劑表面的反應機理也不盡相同，具體包括Langmuir-Hinshelwood 反應機理和MarsvanKrevelen 反應機理。

　　貴金屬催化劑的催化氧化反應一般遵循Langmuir-Hinshelwood 反應機理，是指在發生催化反應過程之前，所有的反應物都已經被吸附到催化劑表面，表面反應為控速步，其本質為吸附粒子之間發生的反應。Langmuir-Hinshelwood反應機理是兩種吸附的分子進行表面反應的多相催化反應，即兩種反應物先吸附在固體催化劑上，在表面上發生反應，生成的產物再脫附，反應速度與兩種反應物在催化劑表面的覆蓋度成比。體現在貴金屬催化氧化VOCs 的反應過程中為: 貴金屬活性組分被認為處于還原態，作為氧化還原表面反應的活性中心而發揮作用。首先，氧氣在貴金屬活性位上分解為氧自由基，同時VOCs 氣體在貴金屬活性位上吸附，氧自由基進攻吸附的VOCs 氣體，形成無污染的二氧化碳和水，在催化劑表面脫附，進行下一個反應過程。

　　非貴金屬氧化物催化劑的催化氧化反應一般遵循Mars-van Krevelen 反應機理，這種機理也被稱為氧化還原機理，實質為反應過程中反應物與催化劑晶格氧離子反應。首先是反應物與催化劑中晶格氧反應，在此過程中產生氧空位，同時晶格氧被還原，之后催化劑被解離吸附的氧補充氧空位而被重新氧化，得以再生。體現在非貴金屬氧化物催化氧化VOCs 的反應過程中為: 第一步，VOCs 氣體分子與催化劑中晶格氧進行反應，生成二氧化碳和水，第二步為產生氧空缺的催化劑進一步被氧化，氧空位消失，催化劑恢復活性進行下一個反應過程。

　　綜上所述，催化氧化技術的優點很多，主要包括以下幾方面。

　　（1）起燃溫度低、能耗低: 催化氧化技術具有起燃溫度低、能耗低的顯著特點。在某些情況下，達到起燃溫度后便無需外界供熱，反應過程無明火，安全性好。

　　（2）適用范圍廣: 幾乎可以處理所有種類VOCs氣體，對于有機化工、涂料、絕緣材料等行業的低濃度、多成分、無回收價值的廢氣，有很好的處理效果。

　　（3） 處理效率高、無二次污染: 處理效率一般在95%以上，最終產物僅為無害的CO2和H2O，因此無二次污染問題。此外，由于溫度低，能大量減少NOx的生成。

　　工業有機廢氣處理，常用的催化氧化技術包括常規催化氧化熱催化氧化兩種。目前催化氧化技術已經成為VOCs治理中最為經濟有效且應用廣泛的技術。而在催化氧化技術中，催化劑性能的好壞則是決定設備運行成本和VOCs凈化性能好壞的重要因素，開發低溫高活性和穩定性高的催化劑，是現在和將來很長一段時間內催化氧化技術的研究重點。

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