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环境保护催化剂详解

环境保护催化剂-催化剂工业中的一类产品,用于借助催化作用来消除环境污染的工艺。自20世纪70年代汽车排气催化净化点击此处添加图片说明技术商业化以后,此类催化剂与石油炼制催化剂、化工催化剂(包括石油化工催化剂和无机化工催化剂并列为催化剂工业中的三大类产品。

各类环境保护催化剂

燃烧催化剂

用完全催化氧化的方法使可燃性污染物质转化为二氧化碳和水的催化剂。广泛用于治理工厂的排气污染,主要是一氧化碳、烃类及其含氧衍生物,如醇、醛、酮、酯等引起的污染。第一次世界大战时曾用CuO和MnO为催化剂,置于防毒面具中以净化毒气(一氧化碳等),在室温下即有效。催化燃烧技术现在广泛地用于排放有机溶剂废气的行业和排放可燃尾气的化工厂。将直接燃烧和催化燃烧法比较,依据不同的污染物,起燃温度(为保持反应正常进行所需的最低温度)分别为600~800℃和室温至400℃,即用催化法治理污染的起燃温度低,可节约能源。最常用的催化剂是以铂、钯、氧化铜、氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化钒等为活性组分,以氧化铝为载体。含贵金属的催化剂极为活泼,在催化剂中的含量通常为0.3%~0.1%,它们甚至在低于100℃时可使烃类完全转化,铂转化一氧化碳效率优于钯,而对烃类的燃烧活性则反之以甲烷为例,催化燃烧活性顺序为Pd>Pt>CoO>PdO>CrO>MnO>CuO>CeO>FeO>VO>NiO>MoO>TiO[kg2]非贵金属氧化物催化剂价廉,但起燃温度较高。近年来,在处理大气量的催化燃烧炉中,多采用蜂窝状造型的催化剂,后者为柱状制件,沿柱体的轴向开有许多平行的孔道,形似蜂窝(图1[催化燃烧炉用的蜂窝状催化剂]) 。这种造型的催化剂对气流的阻力比球状催化剂小得多(见工业催化剂特性评定)。

氮氧化物净化催化剂

消除氧化氮 (NO)污染的催化剂。氧化氮主要来自煤、重质油、汽油等的高温燃烧(在高温下氮和氧不可避免地会生成氧化氮);有些化工厂,特别是硝酸工厂也排放含氧化氮的废气。可用催化还原法加以治理,即向废气中加入燃料气,经催化剂的作用,氧化氮发生还原反应,转变为氮。方法有两类:①非选择性还原,即燃料和废气中的氧化氮、氧同时被还原,并同时有生成氨的副反应。所用的燃料有氢、天然气、合成氨弛放气、催化裂化干气、石脑油等,工业上常用的催化剂以铂、钯为催化活性组分,以氧化铝为载体,载持量0.1%~1%,或采用多组分配方,如Pt(Pd、Rh)-(Ni)-SiO(AlO)起燃温度因燃料而异,以钯为例,用氢或一氧化碳约140℃,用甲烷时需450℃。此法因氧同时与燃料作用,造成高温。贵金属催化剂活性高,耐热性亦较好,但易被硫中毒。非贵金属催化剂有CuO-AlO、CuO-CrO-ALO和蒙乃尔合金(含Cu-Ni)等,但效率低于贵金属催化剂。生成氨的活性为Pt>Pd>CuO>NiO。②选择性还原,力求使燃料气只与氧化氮反应而不与氧反应,通常以氨为燃料可作为活性组分的有铂、钯、钌及铜、铁、钴、镍的氧化物等,其中铂的活性最高。金属氧化物还原活性顺序为CuO≈FeO≈VO>CrO>MoO>WO>ZnO≈CoO≈SnO≈TiO>NiO。
当氧化氮与二氧化硫同时存在时(如煤和重质油燃料的排气),可用一氧化碳为还原剂,在氧化铜-氧化铝催化剂作用下使氧化氮和二氧化硫分别变成氮和硫。除催化还原法外,人们还在探索借助于分解催化剂使氧化氮分解成氮和氧,借助于氧化催化剂使氧化氮氧化成二氧化氮并予以除去。

汽车排气催化剂

装于汽车排气口使有害物质转化成无害物质的催化剂(图2[ 装有催化净化装置的汽车示意图])。1943年,美国洛杉矶发生光化学烟雾事件;1951年,查明该事件是由汽车排气所造成,之后,开始了汽车排气催化净化技术的研究。20世纪70年代出现了可实用的催化剂,并发展为环境保护催化剂中产值最大的品种。汽车排气中含有残余的燃料──烃类、一氧化碳、氧化氮及铅化合物、硫化物等,主要是前三者1981~1984年美国的汽车排放标准规定:烃类、一氧化碳、氧化氮的排放量每公里分别为 0.26、2、1、0.62g。净化方法可分为三种:①一段净化法,其中只用氧化催化剂除去一氧化碳和烃类。②二段净化法,先通过还原催化剂,使氧化氮与一氧化碳、烃类作用,还原成氮再通过氧化催化剂,使烃类和一氧化碳完全氧化,但还原过程中有部分氧化氮被还原成氨,在氧化过程中又被重新氧化成氧化氮,降低了氧化氮的净化率。③三效催化净化法,选用在同一反应条件下,对烃类、一氧化碳及氧化氮均有清除作用的催化剂,并要求在空气与燃料比为14.7±0.1 的狭窄范围内,才能使三者均较好地被消除,故汽车上可用电脑控制行车过程中的空气、燃料比。
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