适用于过滤催化复合材料的锰基催化剂低温氧化挥发性有机物的机理研究

发布时间：2020-10-13 17:58

　　 挥发性有机化合物(VOCs)是主要的大气污染物之一,具有较强的刺激性和毒性,其排放对人体健康和生态环境均带来了严重的危害。工业源是排放量最大的VOCs污染源,具有排放强度大、排放浓度高、排放组分复杂、持续时间长等特点,对局部空气质量影响显著。近年来,随着涉及VOCs排放的重点行业的逐渐发展,我国工业源VOCs排放呈现快速增长的趋势。因此,深入开展VOCs污染物的治理工作刻不容缓。催化氧化技术是目前治理VOCs的最为高效的技术之一,开发高效氧化型催化剂配方是VOCs催化氧化技术的核心。目前,商用VOCs催化剂的运行温度通常在350℃以上,无法应用于烟草、喷烤漆等低排烟温度场合,因此开发低温氧化型催化剂配方是目前治理VOCs低温排放场合所面临的一大挑战。另一方面,工业排放中的尾气成份复杂,石化、烟草、喷涂等行业不仅排放多种挥发性有机物,同时还排放大量的粉尘,多种污染物并存的现状给大气污染物治理带来巨大压力。而在工业应用中,单纯的催化燃烧装置并不具备除尘能力,仍需采用分步脱除治理烟气中的多种污染物,导致了设备占地面积大、治理成本高、运行操作复杂。本文针对适用于低温排放场合的VOCs氧化型催化剂配方开发,以及催化剂在含水含尘等复杂工况下难以稳定运行的难题开展研究,系统研究了催化剂的构效关系,提出了VOCs低温氧化型催化剂设计的理论依据,开发了系列锰基低温氧化型催化剂,研究了微纳尺度调控对催化剂反应性能的影响机制,拓展了催化剂在含水以及含尘环境等复杂工况下的适用性。全文得到的主要结果如下:一、研究了VOCs催化氧化的构效关系。从反应机理出发,采用具备优良的氧化还原性的锰氧化物和优良的储放氧能力的铈氧化物进行复合,通过柠檬酸法制备出锰铈二元复合氧化物催化剂,当Mn/Ce摩尔比为1:1时所得催化剂具有最佳的低温活性,研究提出了催化剂结构-理化性质-催化性能的构效关系,揭示了锰离子进入氧化铈的晶格点阵所形成的Mn–O–Ce的桥氧结构,导致氧化铈发生晶格畸变和收缩,氧离子逃逸并形成了丰富的氧空位,可将环境中的氧气吸附并转化成表面活性氧,从而显著提升了催化剂的低温活性。简而言之,催化剂体相中的桥氧结构(Mn–O–Ce)是低温活性的决定性因素。二、研究了锰基低温催化剂配方。根据前述催化剂构效关系的分析,提出了低温催化剂的设计理论依据,在锰铈二元复合氧化物的基础上引入第三种取代元素以进一步拓宽锰基复合氧化物催化剂的温度窗口下限;选取了文献报道中与主元素Mn、Ce之间可发生协同效应的四种元素(Cu,Fe,Co,和La),发现取代元素Cu与Mn、Ce之间的协同效应最强,获得了具有优良VOCs低温氧化性能的CuMnCeO_x催化剂配方,揭示了决定这种低温活性的关键因素是复合氧化物中形成的特殊的Cu–O–Ce和Cu–O–Mn等桥氧结构,证明了该理论具有普遍适用性。三、研究了微纳尺度调控对催化剂反应性能的影响机制。采用水热法对锰基催化剂进行晶型调控,合成了具有不同晶型的单相MnO_2(α-,β-,γ-和δ-MnO_2)纳米催化剂,发现了α-,β-,γ-和δ-MnO_2晶相结构中八面体的不同堆叠方式导致不同的隧道结构和不同长度的Mn–O键是影响其VOCs氧化性能的关键因素。采用电纺-水热两步法对催化剂进行形貌调控,合成了由初级TiO_2纳米纤维及其表面生长的次级MnO_x纳米颗粒构成的具有分级结构的MnO_x/TiO_2系列纳米纤维催化剂,通过与传统方法制备的相同锰负载量的MnO_x/TiO_2纳米颗粒催化剂进行对比,揭示了这种特殊的微观形貌对多相催化反应中传质过程的促进作用是影响其催化反应活性的关键因素。四、研究了锰基低温催化剂在含水工况下的适用性。采用等体积浸渍法将前述CuMnCeO_x低温催化剂负载于常用的三种氧化物载体(TiO_2,Al_2O_3,和SiO_2)上,研究了水蒸气对催化剂反应性能的影响机制,发现H_2O可以使催化剂的活性显著下降,而选择合适的载体可以降低水蒸气对催化剂反应活性的抑制。对比了无水和含水条件下VOCs在催化剂表面的吸附,发现水蒸气在CuMnCeO_x/TiO_2表面的吸附量最低,说明采用TiO_2做载体可以降低水蒸气在催化剂表面的吸附;水蒸气与VOCs在催化剂表面的活性位点发生竞争吸附,造成催化剂活性的下降。稳定性测试结果表明,CuMnCeO_x/TiO_2在含水条件下可以长期稳定地实现催化效果,证明了该催化剂具有良好的水热稳定性。五、用于协同脱除PM2.5和VOCs的锰基催化滤料的研发。针对催化剂在含尘工况下的适用性,设计了一种过滤催化复合材料,将惰性载体改性调整为活性中心,实现了滤料的多功能化。采用乳液浸渍法将前述CuMnCeO_x催化剂负载于PI滤料上,所得CuMnCeO_x/PI催化滤料保持了固有的优良过滤性能,且在193℃的低温下可实现90%的苯乙烯转化率,即实现了细颗粒物和挥发性有机物的协同脱除。稳定性试验结果表明,CuMnCeO_x/PI催化滤料具有良好的热稳定性。综上所述,本文开发出了具有PM2.5和VOCs协同脱除功能的复合型CuMnCeO_x/PI催化滤料,为工业源复合烟气中多污染物的协同控制提供了理论依据。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X701;O643.36;TB33
【部分图文】：

挥发性有机化合物（VolatileOrganicCompounds，简称 VOCs），是指一系列沸点在 50-260℃之间、容易挥发的有机化合物的总称，具有饱和蒸气压较高（标准状态下大于 13.33Pa）、沸点较低、分子量小、常温状态下易挥发等特性[1]。由于大部分 VOCs 具有较强的刺激性和毒性，对人体健康和生态环境带来了显著的危害[2]。如图 1.1 所示，VOCs 带来的危害主要表现在以下两方面：（1）部分VOCs 有致癌性和中毒性，许多常用的有机溶剂，如二甲苯、甲苯、甲乙酮等，都有相当大的毒性，对人的眼、鼻、呼吸道有刺激作用，对心、肺、肝等内脏及神经系统产生有害影响，造成急性和慢性中毒，甚至致癌和致突变；（2）有机废气的成分极为复杂，在大气中可与其他气体污染物(如 SOx、NOx)、颗粒物等在一定条件下发生一系列化学反应，产生二次污染，导致光化学烟雾、二次有机气溶胶和大气有机酸的浓度升高，且卤代烃类会在平流层与臭氧发生链式反应，破坏大气臭氧层，进而影响全球环境[3]。

图 1.2 VOCs 主要污染源VOCs 的人为排放源主要包括：（1）汽车、轮船、飞机等交通运输工具的源；（2）石油、煤炭等燃料的燃烧和石油炼制、石油化工、涂料、胶黏剂、印刷、表面涂装等涉及生产、使用和排放有机化学物质的工业源；（3）建筑、干洗、餐饮油烟等居民日常的生活源。其中，工业源是排放量最大的 VO染源，具有排放强度大、排放浓度高、排放组分复杂、持续时间长等特点，部空气质量影响显著。如图 1.3 所示，涉及 VOCs 的工业行业众多，包括石制、有机化工、医药、食品、日用品、轮胎制造等 VOCs 生产行业，以及包刷、机械制造、电子产品制造、交通设备制造、人造板与家具制造等以 VO品为原料的工业行业。

图 1.2 VOCs 主要污染源VOCs 的人为排放源主要包括：（1）汽车、轮船、飞机等交通运输工具的移动源；（2）石油、煤炭等燃料的燃烧和石油炼制、石油化工、涂料、胶黏剂、包装印刷、表面涂装等涉及生产、使用和排放有机化学物质的工业源；（3）建筑装饰、干洗、餐饮油烟等居民日常的生活源。其中，工业源是排放量最大的 VOC污染源，具有排放强度大、排放浓度高、排放组分复杂、持续时间长等特点，对局部空气质量影响显著。如图 1.3 所示，涉及 VOCs 的工业行业众多，包括石油炼制、有机化工、医药、食品、日用品、轮胎制造等 VOCs 生产行业，以及包装印刷、机械制造、电子产品制造、交通设备制造、人造板与家具制造等以 VOC产品为原料的工业行业。

本文编号：2839505