環(huán)境保護(hù)催化劑詳解

用完全催化氧化的方法使可燃性污染物質(zhì)轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水的催化劑。廣泛用于治理工廠的排氣污染,主要是一氧化碳、烴類及其含氧衍生物,如醇、醛、酮、酯等引起的污染。次世界大戰(zhàn)時曾用CuO和MnO為催化劑,置于防毒面具中以凈化毒氣（一氧化碳等），在室溫下即有效。催化燃燒技術(shù)現(xiàn)在廣泛地用于排放有機(jī)溶劑廢氣的行業(yè)和排放可燃尾氣的化工廠。將直接燃燒和催化燃燒法比較，依據(jù)不同的污染物，起燃溫度（為保持反應(yīng)正常進(jìn)行所需的低溫度）分別為600～800℃和室溫至400℃,即用催化法治理污染的起燃溫度低，可節(jié)約能源。常用的催化劑是以鉑、鈀、氧化銅、氧化錳、氧化鈷、氧化鎳、氧化釩等為活性組分，以氧化鋁為載體。含貴金屬的催化劑極為活潑，在催化劑中的含量通常為0.3%～0.1%,它們甚至在低于100℃時可使烴類完全轉(zhuǎn)化,鉑轉(zhuǎn)化一氧化碳效率優(yōu)于鈀,而對烴類的燃燒活性則反之以甲烷為例,催化燃燒活性順序為Pd>Pt>CoO>PdO>CrO>MnO>CuO>CeO>FeO>VO>NiO>MoO>TiO[kg2]非貴金屬氧化物催化劑價廉，但起燃溫度較高。近年來，在處理大氣量的催化燃燒爐中，多采用蜂窩狀造型的催化劑，后者為柱狀制件,沿柱體的軸向開有許多平行的孔道,形似蜂窩(圖1[催化燃燒爐用的蜂窩狀催化劑]) 。這種造型的催化劑對氣流的阻力比球狀催化劑小得多（見工業(yè)催化劑特性評定）。

消除氧化氮 (NO)污染的催化劑。氧化氮主要來自煤、重質(zhì)油、汽油等的高溫燃燒（在高溫下氮和氧不可避免地會生成氧化氮）；有些化工廠，特別是硝酸工廠也排放含氧化氮的廢氣。可用催化還原法加以治理，即向廢氣中加入燃料氣，經(jīng)催化劑的作用，氧化氮發(fā)生還原反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榈?。方法有兩類：①非選擇性還原，即燃料和廢氣中的氧化氮、氧同時被還原，并同時有生成氨的副反應(yīng)。所用的燃料有氫、天然氣、合成氨弛放氣、催化裂化干氣、石腦油等，工業(yè)上常用的催化劑以鉑、鈀為催化活性組分，以氧化鋁為載體，載持量0.1%～1%,或采用多組分配方，如Pt(Pd、Rh)-(Ni)-SiO(AlO)起燃溫度因燃料而異,以鈀為例，用氫或一氧化碳約140℃，用甲烷時需450℃。此法因氧同時與燃料作用,造成高溫。貴金屬催化劑活性高,耐熱性亦較好,但易被硫中毒。非貴金屬催化劑有CuO-AlO、CuO-CrO-ALO和蒙乃爾合金（含Cu-Ni）等，但效率低于貴金屬催化劑。生成氨的活性為Pt>Pd>CuO>NiO。②選擇性還原，力求使燃料氣只與氧化氮反應(yīng)而不與氧反應(yīng),通常以氨為燃料可作為活性組分的有鉑、鈀、釕及銅、鐵、鈷、鎳的氧化物等，其中鉑的活性高。金屬氧化物還原活性順序為CuO≈FeO≈VO>CrO>MoO>WO>ZnO≈CoO≈SnO≈TiO>NiO。

當(dāng)氧化氮與二氧化硫同時存在時（如煤和重質(zhì)油燃料的排氣），可用一氧化碳為還原劑,在氧化銅-氧化鋁催化劑作用下使氧化氮和二氧化硫分別變成氮和硫。除催化還原法外，人們還在探索借助于分解催化劑使氧化氮分解成氮和氧，借助于氧化催化劑使氧化氮氧化成二氧化氮并予以除去。

裝于汽車排氣口使有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化成無害物質(zhì)的催化劑（圖2[ 裝有催化凈化裝置的汽車示意圖]）。1943年，美國洛杉磯發(fā)生光化學(xué)煙霧事件；1951年，查明該事件是由汽車排氣所造成，之后，開始了汽車排氣催化凈化技術(shù)的研究。20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了可實(shí)用的催化劑，并發(fā)展為環(huán)境保護(hù)催化劑中產(chǎn)值大的品種。汽車排氣中含有殘余的燃料──烴類、一氧化碳、氧化氮及鉛化合物、硫化物等,主要是前三者1981～1984年美國的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：烴類、一氧化碳、氧化氮的排放量每公里分別為 0.26、2、1、0.62g。凈化方法可分為三種：①一段凈化法，其中只用氧化催化劑除去一氧化碳和烴類。②二段凈化法，先通過還原催化劑，使氧化氮與一氧化碳、烴類作用，還原成氮再通過氧化催化劑，使烴類和一氧化碳完全氧化，但還原過程中有部分氧化氮被還原成氨，在氧化過程中又被重新氧化成氧化氮，降低了氧化氮的凈化率。③三效催化凈化法，選用在同一反應(yīng)條件下，對烴類、一氧化碳及氧化氮均有清除作用的催化劑，并要求在空氣與燃料比為14.7±0.1 的狹窄范圍內(nèi)，才能使三者均較好地被消除,故汽車上可用電腦控制行車過程中的空氣、燃料比。