催化燃烧法净化废气中污染物实验研究

周永莉，张校申，杨家宽

(华中科技大学 环境科学与工程学院，武汉 430074)

挥发性有机物(Volatile Organic Compounds，VOCs)是指在常温下饱和蒸气压大于70 Pa，常压下沸点在260℃以下的有机化合物，包括烷烃、芳香烃、芳烃类、烯烃、醇类、醛类、酮类、卤代烃等［1］。VOCs主要来自石油化工、制药、印刷、喷漆、机动车、制鞋等行业排放的废气。这类物质易挥发、大多数有毒，并参与形成光化学烟雾和气溶胶，给人类的健康及环境带来严重危害［2］。

目前，国内外VOCs污染控制方法主要有吸附法、吸收法、生物处理技术、膜分离技术、直接燃烧法、催化燃烧法等［3－4］。其中催化燃烧法是一种高效清洁燃烧技术，主要利用催化剂使有机废气在较低的温度条件下充分燃烧。相对其他处理技术，催化燃烧具有显著的优点:起燃温度低，能耗少，处理效率高，无二次污染等，使之成为目前最有前景的 VOCs处理方法［5－8］。

1 实验原理

烃类化合物在一定温度下可发生氧化反应，生成无毒的二氧化碳和水。直接燃烧烃类化合物所需温度较高并伴有火焰产生。若采用合宜的氧化型催化剂，则可使燃烧温度降低，且燃烧时无火焰发生。

催化燃烧是典型的气—固相催化反应，其实质是活性氧参与深度氧化作用［9］。在催化燃烧过程中，催化剂的作用是降低反应的活化能，同时使反应物分子富集于催化剂表面，以提高反应速率。借助催化剂可使有机废气在较低的起燃温度条件下发生无火焰燃烧，并氧化分解为CO2和H2O，同时放出大量热，用化学式表示如下［10］:

催化反应必须在一定温度下才能发生，即只有温度达到某一值时，催化反应才能以明显的速度进行，这个温度被称为催化剂的起燃温度。不同的催化剂要求的起燃温度不同。起燃温度的高低及苯系物转化率的大小是评价催化剂的标志。

2 仪器设备、试剂、实验装置及流程

2.1 主要设备和仪器

气相色谱仪，GC7890/FID上海天美仪器仪表公司;管式电阻炉，XMA－5001武汉实验电炉厂。

2.2 试剂

甲苯AR级(用于气相色谱中配标准浓度气);甲苯CP级(用于实验配气);KMF－12型催化剂(杭州凯明公司)。

2.3 实验装置和流程

本实验流程共分三部分:配气系统、催化反应部分和检测部分，如图1所示。

图1 催化燃烧实验流程图

3 实验方法和步骤

1)进料:将KMF－12型催化剂装入石英管，催化剂两端用玻璃棉固定，然后将反应管固定于加热炉内。

2)配气:氮气经钢瓶减压后，进入装有甲苯的溶剂发生器，将挥发的甲苯带出，空气泵送入空气，经流量计计量后进入缓冲瓶，气体混合，将甲苯气体稀释。配气浓度可通过调节稀释气和含溶剂气的流量来控制。

3)打开钢瓶阀门，调节转子流量计7的流量为0.40.7 L/min左右，转子流量计9的流量为4.0 L/min左右。使其空速(空速为气体总流量与催化剂体积之比，本实验中催化剂体积为40 mL)为7 000/h左右。

4)反应:配制成一定浓度的混合气，经缓冲瓶进入催化反应管;当加热炉经电加热升温达一定温度后，混合气中的甲苯组分即可在催化剂上发生氧化反应。电加热炉的温度由控温仪控制，反应区的温度用电位差计测定。反应前、后的气体用针管取样，注入气相色谱仪，由此可测定反应前、后气体中甲苯的浓度。

5)打开电加热炉控温仪的开关，按指定程序升温，待温度稳定在200℃后，开始测定反应前后的组分浓度。控制反应温度在200℃～350℃范围内，每升高一次温度，测定一次浓度值。

4 结果与讨论

4.1 甲苯标准工作曲线的绘制

本实验采用气相色谱(氢火焰检测器FID)测定甲苯的浓度，通过六通阀直接进样，进样量1mL;色谱柱:5PEG—6000填充柱(4 mm×2 m);柱温:80℃;进样温度:150℃;检测器温度:180℃。

在选定的色谱条件下，对自配的标准气体进行测定，绘制标准曲线见图2。对所得出的标准曲线进行了线性回归分析，并计算出回归方程和线性相关系数(R2)。

图2 甲苯气体标准曲线

4.2 温度变化对甲苯催化燃烧性能的影响

保持N2气流量和空气流量不变，在甲苯气体进口浓度为1 500 ppm左右，空速为7 050 h－1的条件下，调节控温仪以改变反应温度，测定甲苯气体去除率的变化。

在无催化剂和有催化剂的情况下分别做了一组实验，实验结果如图3所示。

由图3可知 ，无催化剂存在时甲苯在低于300℃的条件下转化率非常低，因此实际运用中若不加入催化剂而采用热破坏法是不可取的。KMF－12型催化剂对甲苯的催化燃烧有很好的活性。

图3 不同温度下甲苯转化率曲线

通过自制的催化燃烧反应装置，考察了KMF－12型催化剂在不同温度下对甲苯的去除情况。在甲苯气体进口浓度为1 500 ppm左右，空速为7 000 h－1的条件下，改变反应温度，测定甲苯气体转化率的变化。在反应温度为290℃左右时，甲苯的转化率可达到85，随着温度增加，甲苯的转化率迅速上升。当温度升到350℃时，转化率已超过95。实验证实了贵金属催化剂具有很好的催化燃烧活性，且初始活性较好，起燃温度低，完全燃烧温度与起燃温度相差很小，活性随温度上升很快。总体来说，在较宽的温度范围内，KMF－12型催化剂对甲苯的转化率均保持在一个很高的水平上，具有很好的催化燃烧性能。

5 结束语

VOCs引起的健康与环境问题已引起普遍关注，对VOCs的净化处理已迫在眉睫。因而，作为一种处理VOCs的有效方法，催化燃烧技术具有广阔的应用前景。我校从2006年开始为环境工程专业本科生开设了催化燃烧实验，通过开展该实验，学生掌握了催化燃烧法的实验原理及实验方法，加深了对环境领域前沿知识的认识和理解，同时也激发了学生的学习兴趣，培养了学生的动手能力，取得了较好的教学效果。

［1］黎维彬，龚浩.催化燃烧去除VOCs污染物的最新进展［J］.物理化学学报，2010，26(4):885－894.

［2］ JONESA P.Indoo r air quality and health［J］.Atmospheric Environment，1999，33(28):4535 －4564.

［3］陶有胜.“三苯”废气治理技术［J］.环境保护，1999(8):20－21.

［4］李鹏，童志权.“三苯系”VOCs催化燃烧催化剂的研究进展［J］.工业催化，2006，14(8):1－6.

［5］张广宏，季生福，万会军，等.铜锰基SBA—15催化剂的制备及其甲苯燃烧消除的催化性能［J］.北京化工大学学报，2008，35(1):5－10.

［6］郭建光，李忠，奚红霞，等.CeO2掺杂对CuO/沸石催化剂催化氧化VOCs活性的影响［J］.高校化学工程学报，2005，19(6):776－780.

［7］曹利，凌海志，黄学敏，等.纳米TiO2—Al2O3负载CuMnOx对甲苯的催化燃烧［J］.环境科学与技术，2010，33(6):28－31.

［8］张纪领，尹燕华，张志梅，等.低温催化燃烧VOCs铜锰混合型催化剂的研究［J］.舰船科学技术，2008，30(6):251－255.

［9］杜娟，田成文，范庆伟.催化燃烧技术研究进展及其应用［J］.节能，2006(2):37－39.

［10］孟丹，祁永智，丁瑞新.有机废气的催化燃烧［J］.洛阳工学院学报，2000，3(12):91－94.