催化燃烧技术研究进展综述

时间：2021-10-20

催化燃烧是一个气-固相催化反应，其实质是活性氧参与深度氧化作用。在催化燃烧过程中，催化剂降低反应的活化能，同时使反应物分子富集于催化剂表面，以提高反应速率。借助催化剂可使**废气在较低的起燃温度条件下发生无焰燃烧，并氧化分解成为CO2和H2O，同时放出大量热量，达到了净化废气的目的。

VOCs催化燃烧技术中，关键是催化剂的研制，其性能的优劣对废气销毁效率和能耗有着决定性的影响。按照催化剂所用的活性组分不同，催化剂可以分为贵金属催化剂和非贵金属氧化物催化剂两大类。按照催化剂的形状不同，催化剂可以分为颗粒催化剂和整体式催化剂两大类。

1、催化剂概述

1.1 催化剂的活性组分

催化剂中活性组分是较重要的组成部分，直接影响催化效果，按照催化剂所使用的活性组分，可将催化剂分为贵金属催化剂和过渡金属催化剂两大类。

1.2 催化剂形状

催化剂的形状不仅影响反应器压力降，也影响反应物和产物的扩散速度，以及反应选择性和转化率。因此，在催化燃烧反应过程中，催化剂在床层中的形状对催化剂的催化燃烧性能有很大的影响。常用催化剂按形状可分为颗粒状和整体式催化剂两大类。

（1）颗粒状催化剂

催化燃烧是一个强放热反应，颗粒催化剂在反应中会产生 “热点”和局部高温，催化剂易烧结失活；同时，颗粒催化剂床层压降高，当含有粉尘的废气通过时，床层易被阻塞；另外颗粒催化剂强度低，易破损，阻力大。因此，颗粒催化剂并不适合催化燃烧空速和热效应较大的工业**废气。

（2）整体式催化剂

整体式催化剂是指一个反应器中只有一块催化剂，英文名叫Monolith，通常为具有许多狭窄、直的或是弯曲的平行通道的整体结构催化剂[1]，因而对催化燃烧空速和热效应较大的工业**废气具有很好的应用前景。催化活性组分负载在通道的壁面上，这些通道为催化剂活性组分与反应气体提供了尽可能大的接触面积，同时也使气体的压力降降到较低。与传统的颗粒催化剂相比，整体式催化剂具有以下优点[2]：1）床层压降大幅降低；2）催化活性物质涂层薄，内表面利用率高，特别适用反应速度快、空速大和处于传质控制过程的催化燃烧反应；3）气流分布均匀，无热点和沟流现象，反应器径向和轴向的温度梯度大大减小；4）不产生粉尘，也不易被外来粉尘堵塞；5）机械强度和热稳定性较好；6）安装简单，既可水平安装（气流水平方向通过），也可垂直安装（气流上下通过）。

整体式催化剂一般由活性组分和助剂、载体或涂层和基体三部分组成。基体主要起承载催化涂层的作用，主要分为两类，一类是陶瓷基体（如堇青石、氧化铝、莫来石）；另外一类是金属基体（如Fe-Cr-Al合金、金属丝网）。

① 蜂窝陶瓷基体

蜂窝陶瓷基体大多以耐熔性氧化物、铝酸盐和硅酸盐材料（如氧化铝、氧化镁、二氧化钛、石英、二氧化锆、尖晶石、堇青石和碳化硅等）作为原料，由于堇青石蜂窝陶瓷价格便宜、原材料易得、生产工艺简单和性能基本满足使用需要，且与各种催化剂活性组分良好的匹配性，孔壁薄热膨胀系数和耐热冲击性好等优点，大多数厂家均将其作为整体式催化剂的基体。但是，蜂窝陶瓷基体也有一些不足：1）一般制作工艺的蜂窝孔径和壁厚还不能制得很小，使进一步提高催化强度和降低床层压降受到限制；2）陶瓷导热性差，热容量大；3）用于汽车尾气处理时，陶瓷的机械强度还不完全经受得住行车过程中的气流冲击和机械震动。

② 蜂窝金属基体

与蜂窝陶瓷基体相比，蜂窝金属基体具有以下优点[3]：1）导热系数大，可以快速地将热量传递，从而达到启动温度或将热量散发；2）壁薄、质轻、床层压降小；3）机械强度高，耐振动；4）良好的延展性，易于加工成型；5）金属丝网基体具有三维多孔结构，允许气流在多个孔道内交错流动，具有更大的传热速率和传质效率。因此，金属蜂窝基体克服陶瓷蜂窝基体的质脆、导热性差等缺点。但是金属基体也存在热膨胀系数高，涂层与金属基体粘结强度不高、易脱落、工艺复杂、价格相对较高等一系列问题，因此其不如陶瓷基体应用广泛。

（3）整体式催化剂制备

整体式催化剂的制备方式主要有两种，一种是在催化剂基体（如堇青石蜂窝基体或金属蜂窝基体）上涂覆氧化铝凝胶等复合氧化物凝胶等复合氧化物涂层，然后再浸渍贵金属。另一种是先把贵金属浸渍在催化剂载体（如氧化铝或其他材料）上，然后再制备成浆液涂敷在催化剂基体上。两种方式中，前者的制备工艺较为简单，但由于该过程先在催化剂基体上涂覆氧化铝凝胶，制得的氧化铝涂层牢固度不够，易脱落，且贵金属在基体上的分散性不好；后一种制备方法中贵金属分散较好，且涂层较为稳定，牢固度强。因此，目前大多采用后一种制备方法[4]。

2、用于芳烃催化燃烧催化剂的发展趋势

目前国内外对用于催化燃烧处理芳烃废气催化剂研究的发展趋势是：

（1）虽然非贵金属催化剂成本低，热稳定性相对较好，但催化活性低、起燃温度高，难以实现工业应用。贵金属催化剂具有其他金属无可比拟的优越性，但是稳定性较差、价格昂贵，资源短缺，制约了其大规模应用。所以目前对催化燃烧催化剂的研究，主要是通过添加非贵金属改善贵金属催化剂的织构、结构、氧化还原等性能，提高催化剂的活性和选择性、稳定性，降低贵金属用量，实现单原子催化也成为贵金属催化领域的研究热点。

（2）目前的研究对象大多集中于易被催化燃烧的甲苯，但对结构稳定和毒性大的苯报道较少。另外，处理对象单一，大多数研发工作是在CH4、脂肪烃、醇、醛、甲苯等单一VOCs上进行，而实际工业气体往往组成非常复杂，含有醛、醇和芳烃（如苯）及杂原子（Cl、N、S）**物等。由处理一种VOCs到同时处理多种VOCs，及VOCs和其他污染物的混合物。

（3）催化燃烧与其它控制技术相结合，使其应用范围更广、处理效率更高，能耗更低：如吸附-催化燃烧、冷凝-催化燃烧等。

（4）对氧化机理和反应动力学尚缺乏深入的研究，特别对发生在催化剂上的反应路径和分子活性氧需要更深入理解。此外，多种**废气混合，易引起催化剂失活，这一系列复杂的问题有待进一步探索。

结束语：

综上所述，开发一种低温催化活性高、稳定性好、效率高、可应用性强并以苯为目标分子的低含量贵金属-非贵金属整体式催化剂已成为处理芳烃废气催化剂的发展趋势，不仅可为社会带来巨大的环境效益和经济效益，同时也能为其他有毒VOCs的治理提供有力的技术支撑。
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