催化剂是一种加快化学反应速率,本身质量和化学性质在反应前后不变的物质,能大大降低消除VOCs所需要的反应温度,通常是由载体、活性成分和助剂等组成。常用催化剂有:
(1)整体式催化剂:载体(堇青石陶瓷蜂窝)、活性组分(贵金属Pd、Pt和Rh,过渡金属氧化物)、助催化剂(稀土复合氧化物)。
(2)颗粒催化剂:一般以氧化铝小球为载体,颗粒尺寸:3~5;4~6mm。(贵金属Pd、Pt和Rh,过渡金属氧化物)、助催化剂(稀土复合氧化物)。颗粒催化剂(空隙率26%)总体催化效果不及蜂窝催化剂(空隙率70%)
2、催化剂活性成分
(1)贵金属催化剂一般规律:
贵金属催化剂(0.6g/L)的实验室性能(20000-1),工业装置使用温度:320-350度;空速20000-1。
(2)非贵金属催化剂一般规律:
一般以CuO、MnOx、FeOx等为活性成分,有利于将含氮有机物中的N转化为N2
非贵金属催化剂的实验室性能(20000-1),工业装置使用温度:300-350度;空速15000-20000-1。
(3)几点认识
1)贵金属含量是催化剂的主要成本,决定了催化剂的成本。
2)贵金属含量不是决定催化剂性能的唯一因素。
3)相同贵金属含量的催化剂其催化性能会有本质的差别。
4)相同贵金属含量催化剂的性能由催化剂的制备技术来决定。
5)根据处理对象,对催化剂配方要进行合理的调整
3、催化剂的载体及负载方式
催化剂的活性成分负载在较大比表面积的载体上。催化反应中,载体除了要负载分散活性成分,还能增加催化剂的稳定性、选择性和活性等,对催化效果和寿命也有很大的影响。
(1)催化剂的载体主要有两类,一类是球状或片状,另一是整体式多孔蜂窝状。
(2)催化剂活性成分可通过下列方式沉积在载体上:1)电沉积在缠绕或压制的金属上;2)沉积在颗粒状陶瓷材料上;3)沉积在蜂窝结构的陶瓷材料上。
4、催化剂的制备
整体式催化剂:堇青石蜂窝,金属蜂窝载体
颗粒催化剂:第二载体Al2O3,活性组分Pt、Pd、Rh,助催化剂CeO2等
5、催化性能的综合评估
(1)催化温度,耐热温度(实验室转化率达到99%所需要的低反应温度耐热温度;或催化燃烧的工作温度);
(2)价格;
(3)使用寿命,2年左右;
(4)催化剂中毒。
6、催化剂的用量、填装、温度点
按照空速15000h-1计算,一立方米催化剂处理的有机废气量为15000m3,以此类推。常用催化剂规格:100*100*50;200目;催化剂填装高度:200-300mm。
催化剂填装的三种模式:
7、催化反应床及设备选择
(1)催化反应床
1)保证进入催化床层的有机废气的气体分布和温度分布均匀。
2)催化床中催化剂的填装要紧密、同时要考虑热胀冷缩,以免产生气体短路,导致净化效率的下降。
(2)设备选型的程序:
1)前期工作:风量、VOCs浓度、VOCs成分;
2)中期工作:催化剂对VOCs实验室小试;VOCs浓度过大和过小,应对方案(VOCs浓度的计算:涂料中溶剂挥发量/风量)
3)后期工作:设计方案
[关于催化剂]
1、催化剂使用的常见问题及措施
(1)有机废气的浓度应在爆炸极限的安全范围之内,8000mg/m3。
(2)催化剂在使用前,应用小风量催化剂床预热至300℃以上,方可进入有机废气。为保证催化剂长期使用,催化剂最佳使用温度控制在320-450℃。
(3)应避免通入含有树脂、高沸点聚合物、重金属,及含氟、磷、硫、砷、含氯有机物等使催化剂中毒的物质。
(4)有机废气中氧气含量应大于5%。
2、催化剂中毒
(1)由于反应温度过低导致的催化剂表面积炭——高温再生
(2)涂料挥发过程携带灰分在催化剂表面的沉积——酸洗再生
(3)P、F、Pb等中毒——生成F化物、P化物、含Pb合金
(4)催化剂高温失活——活性组分的团聚,催化剂表面贵金属离子变大;催化剂成分之间的固相反应,活性相消失;载体相变,比表面积收缩。
(5)减少催化剂活性的衰减:按操作规程精准地控制反应条件;对废气进行预处理,防止催化剂中毒;改进催化剂制备工艺,提高催化剂耐热性和抗毒能力。
催化燃烧技术是处理VOCs主要技术之一,其技术核心是催化剂和设备设计,根据处理对象,选择合适的催化剂,提高催化效率。贵金属催化剂的催化活性和选择性好,但资源稀缺,价格昂贵。降低贵金属含量,提高催化剂的性价比,开发高性能的非贵金属催化剂是今后的研究方向。由于实际过程中,VOCs种类及成分等的复杂性,对于催化燃烧技术,如何避免催化剂活性下降是工业应用的关键。
推荐教授
罗孟飞,博士,浙江师范大学教授,先进催化材料教育部重点实验室主任,浙江省二级教授,中国化学会催化学会委员,浙江省固体表面反应化学重点实验室主任,苏州大学博士生导师,浙江省151人才第一层次入选者,省高校中青年学科带头人,校“双龙学者”特聘教授。主要从事多相催化、催化新材料等方面的研究。已在国内外期刊上发表研究论文100余篇,其中SCI收录40余篇,EI收录9篇。曾获3项国家发明专利、浙江省科学技术三等奖、浙江省人民政府科技进步三等奖、浙江省教育厅科技进步二等奖。