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钛基催化剂催化氧化苯系物有机废气的研究

俞丹青  
【摘要】:挥发性有机废气VOCs (volatile organic compounds)是很多工业过程中排放的主要气体污染物。催化氧化可将VOCs在较低的温度下转化为无害的CO2和H20,是最有前景的处理方法之一。但高活性高耐性的催化剂的缺乏、典型污染物催化氧化过程机理的不明确等问题制约了催化氧化技术的工业应用。针对以上问题,本研究以甲苯为主的苯系物为目标污染物,采用氧化钛负载型复合过渡金属氧化物为催化剂,进行了催化剂优化及催化氧化过程的机理研究。 本文首先进行了催化剂载体和活性相的筛选以及制备方法的优化。实验结果表明,氧化钛在所研究的载体中性能最佳。而用溶胶-凝胶法制备的催化剂在甲苯氧化中的活性高于传统的浸渍法制得的催化剂。这是由于溶胶-凝胶法能使活性相在高负载率下仍保持良好的分散,使更多的无定型活性相分布于催化剂表面,提供更多的活性点位。另外,该法还能使催化剂保持高表面积和可控的孔系。在研究的若干种过渡金属氧化物主活性相中,氧化锰催化剂活性高于其它。当加入氧化铈助催化剂后,催化剂的活性和质构性质能得到进一步的改善,结构相近的氧化锰与氧化铈之间能产生更强的相互作用,起到提高活性相分散性,增加催化剂表面积和增加表面活性氧等多种作用。 随后,本文基于优化的TiMnCe催化剂对催化氧化过程工艺参数的影响进行了研究。研究发现,甲苯初始浓度的增加,空速的增加和氧浓度的降低会使甲苯去除率出现一定程度的降低,但该催化剂在典型的工业催化氧化条件下表现出较高的稳定性。该催化剂在200小时的持久性实验中表现良好,240℃下一直能保持100%的甲苯去除率,无明显的活性降低和物理化学性质的变化。该催化剂优良的活性和稳定性使其成为有工业应用前景的催化剂。针对苯、甲苯和二甲苯三种苯系污染物的混合氧化过程的研究结果发现:苯-甲苯二元物系中,苯的氧化受抑制而甲苯的去除率变化不大;而甲苯-二甲苯二元物系中,甲苯的氧化被明显抑制,而甲苯的存在对二甲苯的氧化影响不大。混合污染物共存时,各组分的氧化受另一组分影响与否的关键因素在于对催化剂表面吸附点位和活性点位的竞争,若该物质的吸附性能和反应活性强于与之共存的另一组分,则其氧化不会受到另一组分存在的明显影响。 最后,本文对不同过渡金属氧化物负载的钛铈系列催化剂上甲苯的吸附-氧化过程进行了原位红外研究,以探明其催化氧化过程机理。结果发现,纯TiO2上甲苯吸附容量较小,吸附态甲苯的氧化也很有限。过渡金属氧化物活性相的加入和通过氧化铈改性都会增加甲苯吸附容量,更重要的是加强了甲苯的氧化。甲苯吸附在此系列催化剂上后,甲基首先受活性氧攻击,生成苯甲醛和苯甲酸,部分苯甲酸会直接开环生成马来酸,此外也有多种低级脂肪酸中间产物和完全氧化产物生成。加入氧气和升高温度,通常可导致苯甲醛和羧酸盐的进一步氧化和碳酸类物质的分解脱附,而苯甲醛的进一步氧化很可能是决定催化剂活性的关键因素。催化剂的甲苯吸附容量与深度氧化的启动温度也是影响催化剂活性的重要原因。红外实验也证明,在苯、甲苯和二甲苯这三种典型的苯系物中,苯的吸附能力最低也最难活化,二甲苯吸附能力最强且具有较高的反应活性。这正是当苯与吸附性能更好、反应性更高的甲苯和二甲苯共存时,其氧化被抑制的原因。


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