催化在之力環(huán)境污染中作用的論述

1、催化在治理環(huán)境污染中作用的論述摘要：隨著科技發(fā)展，人類環(huán)保意識的提高，對現(xiàn)代工業(yè)中產(chǎn)生的環(huán)境污染物的處理也越來越重視。催化劑的使用是處理環(huán)境污染中最重要也是最有效的途徑。本人論述了催化劑在治理環(huán)境污染中的應(yīng)用，重點(diǎn)綜述了催化劑在大氣污染及水污染中的應(yīng)用。敘述了納米光催化技術(shù)、微波誘導(dǎo)技術(shù)在處理廢水中的應(yīng)用以及最新的處理汽車尾氣的催化劑的結(jié)構(gòu)和種類。關(guān)鍵字：催化劑，催化作用，環(huán)境污染前言催化劑的一般含義是指一種通過基元步驟的連續(xù)和重復(fù)循環(huán)，將反應(yīng)物轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物的物質(zhì), 而在循環(huán)重復(fù)的最后一步，催化劑又恢復(fù)到原來的形式。以控制和預(yù)防環(huán)境污染為目的的催化劑和催化過程的研究稱為環(huán)境催化研究。由于工業(yè)生產(chǎn)

2、發(fā)展而日趨嚴(yán)重的環(huán)境污染以及催化科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境催化的科學(xué)和技術(shù)己有很大的發(fā)展。和能源密切相關(guān)的多相催化工業(yè)技術(shù)在過去半個多世紀(jì) 中呈現(xiàn)了三個量子化發(fā)展階段1:第一階段為40年代末至50年代初，為石油煉制技術(shù)的大發(fā)展（如催化裂化、加氫裂解、催化重整和異構(gòu)化等）；第二階段為70 年代至80年代石油化工的大發(fā)展（如新型ZSM5分子篩催化劑用于異構(gòu)化 、歧化和芳烴烷基化過程等）；而90年代為第三階段是環(huán)境催化大發(fā)展的時期,例如成功地將催化劑用于汽車排氣凈化，還有催化消除氧化氮類、氧化硫類 ，可揮發(fā)性有機(jī)組分的催化氧化、催化燃燒等。催化是煉油、化工和環(huán)保等方面創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的關(guān)鍵技術(shù)

3、.在世界催化劑銷售市場，煉油、化工和環(huán)保三大領(lǐng)域中，環(huán)保催化劑銷售額比例日趨上升2,3。1989 年美國的環(huán)保催化劑銷售額已超過煉油用的催化劑。1993年日本的環(huán)保催化劑已占總額的55% 60% ，西歐也已占60%以上。近年來，以環(huán)境污染控制和預(yù)防為背景的催化學(xué)術(shù)會議頻繁召開，專門書籍陸續(xù)出版.這些動向均表明當(dāng)今催化學(xué)術(shù)界在此領(lǐng)域的研究異?；钴S。正文：1、催化劑在污染水處理中的應(yīng)用1.1 納米光催化材料在水處理中的應(yīng)用納米光催化材料大多是金屬氧化物或硫化物等半導(dǎo)體材料，它們具有特殊的電子結(jié)構(gòu)，它們在光激發(fā)下所產(chǎn)生的電子和空穴，將反應(yīng)物還原或氧化，從而使污染物得到降解，并最終完全礦化為CO2 、

4、H2O和毒性小的有機(jī)物和無機(jī)離子等，因此在能源、綠色化學(xué)方面顯示出其獨(dú)特的功效4。納米光催化材料有以下的特點(diǎn)5 : 降解沒有選擇性，能使有害物質(zhì)完全分解，不會產(chǎn)生二次污染可以在常壓下操作，反應(yīng)條件溫和，降低操作難度，不需要大量消耗除光以外的其他物質(zhì)，可以降低能量、原材料的消耗而達(dá)到除毒、脫色、去臭的目的。光催化劑具有廉價、無毒、穩(wěn)定以及可以重復(fù)利用等特點(diǎn)。因此很多專家預(yù)測納米光催化材料將是未來水處理技中的主力軍，常見的納米光催化材料有: TiO2、ZnO、BiVO4、Al2O3等。其中納米 TiO2活性高，熱穩(wěn)定性好，成本低，安全無毒，是現(xiàn)在研究最廣，最被看好的材料。在紫外光照射下，納米 Ti

5、O2表面會產(chǎn)生氧化能力極強(qiáng)的羥基自由基，使水中的有機(jī)污染物氧化降解為無害的 CO2和水。目前納米TiO2主要的應(yīng)用領(lǐng)域有化工廢水、染料廢水、農(nóng)藥廢水、含油廢水、造紙廢水等有機(jī)廢水的處理。例如: 趙文寬等以煤灰中的漂珠為載體、鈦酸丁酯為原料，制備了一種載有納米TiO2粉體的漂浮型光催化劑，在紫外光或太陽光直接照射下，能有效降解水面石油污染物。同濟(jì)大學(xué)李田等將納米TiO2固定于玻璃纖維網(wǎng)上形成催化膜，用于深度凈化飲用水。經(jīng)處理的自來水中有機(jī)物總量去除率達(dá)60%以上，19種優(yōu)先污染物中有5種被完全去除，其他有機(jī)物的濃度也基本降至檢測限以下，同時細(xì)菌總量明顯減少，處理水質(zhì)達(dá)到了安全飲用的要求。另外，在

6、無機(jī)物的處理方面，納米TiO2可以吸附高氧化態(tài)汞、銀、鉑等貴重金屬離子，而無機(jī)離子在納米粒子表面具有光化學(xué)活性，從而在光催化下被還原為細(xì)小的金屬晶體，被催化劑吸附，毒性因此被大大降低。1.2 微波誘導(dǎo)催化技術(shù)在水污染治理中的應(yīng)用1.2.1 微波誘導(dǎo)催化技術(shù)的基本原理微波誘導(dǎo)催化反應(yīng)的基本原理可簡述如下： 將高強(qiáng)度短脈沖微波輻照聚集到含有某種“敏化劑”（如鐵磁金屬）的固體催化劑床表面上，由于表面金屬點(diǎn)位與微波能強(qiáng)烈的相互作用，微波能將被轉(zhuǎn)變成熱能，從而使某些表面點(diǎn)位選擇性地被迅速加熱到很高的溫度（例如很容易超過1400）。 在此反應(yīng)過程中， 催化劑的作用不僅僅在于把熱能聚焦，而且還可借它與反應(yīng)物

7、和產(chǎn)物相互作用的選擇性而影響反應(yīng)的進(jìn)程6。微波誘導(dǎo)催化反應(yīng)中，微波主要是與催化劑或其載體相作用，被激活的催化劑再催化相應(yīng)反應(yīng)的進(jìn)行。由此可見， 微波誘導(dǎo)催化反應(yīng)中催化劑及載體的作用是非常重要的，必須要與所加微波能發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。很顯然，最適宜作催化劑的是微波高損耗物質(zhì)，而載體則宜選用微波低損耗物質(zhì)。物質(zhì)吸收微波的能力與很多因素有關(guān)，所以在實際工作中微波誘導(dǎo)催化反應(yīng)所用催化劑的選擇往往還需要通過大量實驗來加以篩選7。1.2.2 微波誘導(dǎo)催化技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用研究如前所述， 許多有機(jī)化合物都不直接明顯地吸收微波， 但可利用某種強(qiáng)烈吸收微波“敏化劑”把微波能傳給這些物質(zhì)而誘發(fā)催化反應(yīng)， 這些

8、物質(zhì)降解的同時在催化劑表面產(chǎn)生空位， 重新吸附污水中的有機(jī)物， 這一動態(tài)平衡的不斷進(jìn)行實現(xiàn)了污水中有機(jī)污染物的逐漸降解去除。2、催化劑在大氣污染處理中的應(yīng)用2.1催化技術(shù)在汽車尾氣治理中的應(yīng)用汽車尾氣凈化催化劑多為負(fù)載型催化劑, 活性組分及助催化劑均負(fù)載在載體上?；钚越M分是起催化作用的組分, 助催化劑雖然其本身無催化活性或活性很低, 但可大大提高主催化劑的活性、選擇性或壽命, 特別是在汽車排氣的惡劣環(huán)境下, 為提高催化劑的穩(wěn)定性, 常常要加入助催化劑。一些助劑則直接加到涂層中, 以改善其性能。汽車尾氣催化反應(yīng)機(jī)理十分復(fù)雜, 催化劑各組分 常常協(xié)同作用、不分主次, 催化劑活性組分與助劑常難以明確

9、區(qū)分, 通常將它們統(tǒng)稱為活性組分8。根據(jù)載體材料的不同，目前整裝式載體有陶瓷蜂窩載體和整裝式金屬載體兩大類。陶瓷蜂窩載體是目前使用最廣泛的汽車尾氣凈化催化劑載體, 其中以堇青石(2MgO#2Al2O3#5SiO2)為主要成分的載體最常用。它的優(yōu)點(diǎn)為：眾多約束氣道, 既為催化劑活性成分和廢氣提供了最大的接觸面積, 又可以使氣流的壓力降最小，僅為顆粒狀載體的1/20,故特別適合于受控制的多相催化反應(yīng); 且蜂窩結(jié)構(gòu)體積密度低，熱穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)低，有利于提高催化劑的起燃性能。整裝式金屬載體具有很好的耐沖擊性能和機(jī)械性能、導(dǎo)熱性好、熱容小, 且載體與金屬外殼之間的匹配性能好及抗震能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因金

10、屬載體的特點(diǎn), 對降低汽車排氣阻力十分有利,明顯改善了其動力性能, 提高了尾氣的凈化效率,同時延長了凈化器的使用壽命。截止目前,Ni-Cr、Fe-Cr-Al和Fe-Mo-W等三類合金可用作汽車尾氣凈化催化劑的金屬載體材料, 從加工性能和經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮, 是最具前景的合金載體。金屬合金載體的結(jié)構(gòu)主要也是蜂窩柱體, 它比陶瓷載體有更高的比表面積和良好的熱啟動性。但其制造工藝復(fù)雜, 加之其表面涂敷工藝還不完善, 載體的抗高溫氧化性還有待提高, 因此, 尚未獲得廣泛的應(yīng)用。2.2催化技術(shù)在工業(yè)廢氣治理中的應(yīng)用工業(yè)廢氣處理催化劑包括控制發(fā)電廠和鍋爐煙道氣、硝酸廠尾氣、烤漆房尾氣、焚燒爐廢氣所用的催

11、化劑。工業(yè)環(huán)保催化劑約占整個環(huán)保催化劑銷售額的十分之一，并逐年保持非常高的增長速度，它會在環(huán)境保護(hù)中顯示更大的作用9。氮氧化物的去除主要是催化氧化法。即在固體催化劑存在下，利用各種還原性氣體（H2、CO、烴類和NH3等），以致碳和氮氧化物反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾姆椒āＨ毡驹缭?0世紀(jì)70年代就開發(fā)出SCR脫氮氧化物的催化劑，后來日本生產(chǎn)了一種非鉑選擇性催化劑，主要是以TiO2為載體，活性組分是V2O5、Fe2O3或CUO、NOX的去除率約為80%。美國和德國最近開發(fā)的一種價廉的分子篩催化劑，NOX可通過催化劑直接分解為N2和O2，但是這種催化方法要使用NH3，而未反應(yīng)的NH3也是一種污染。1990年I

12、wamoto等人研制的CU-ZSM-5在直接分解NO方面達(dá)到了前所未有的水平。而且反應(yīng)溫度有很大影響，500左右時，活性達(dá)到最大。S02幾乎全部由煤和汽油燃燒時產(chǎn)生；利用催化劑可以在重油使用前先回收30%90%的硫，使用的催化劑主要是以Al2O3為載體的Co(Ni)Mo系列元素；由燃燒排除的硫，有人提出了以V2O5為催化劑，將S02氧化制成硫酸，也有人提出將鈣鈦礦型稀土復(fù)合氧化物催化劑，將S02直接還原成工業(yè)有用的單質(zhì)硫的方法；我國有人提出用軟錳礦吸收S02，并且可以生產(chǎn)硫酸錳。另外還有人以焦炭為催化劑，采用碳還原的方法，以NiO/MgO為催化劑，以氨為還原劑；Fe/r- Al2O3為催化劑，

13、CO為還原劑等，將S02還原為單質(zhì)硫，S02的轉(zhuǎn)化率均在80%以上，以控制S0X的排放量。對于有機(jī)廢氣種類繁多，有飽和烴、不飽和烴、鹵化物、含硫有機(jī)物、含氮有機(jī)物等。用于有機(jī)廢氣凈化的催化劑類型大體上可以分如下幾類：貴金屬催化劑、金屬氧化物催化劑等。貴金屬催化劑的活性元素一般為Pt、Pd，常用的催化劑為Pt/Al2O3，金屬氧化物催化劑一般為稀土與過渡金屬氧化物的復(fù)合物，對于可激活的催化劑，如Ag/MnO2，Pt/SnO2，Au/Fe2O3等。3、總結(jié)盡管國內(nèi)外對環(huán)境處理的催化應(yīng)用和研究較多，但由于存在許多不足之處，因而離實際應(yīng)用還有較大的距離。要達(dá)到規(guī)模實用要求，還需要從催化劑的結(jié)構(gòu)、制備的

14、工藝、催化反應(yīng)的機(jī)理幾方面進(jìn)一步研究。總之，對于環(huán)境催化劑的研究與開發(fā)以經(jīng)濟(jì)合理與切實可行為原則，使其在環(huán)境保護(hù)中發(fā)揮更大的作用。參考文獻(xiàn)：1 葉代啟, 梁紅. 大氣污染治理中的催化技術(shù) J. 工業(yè)催化, 1999, 5：3-8.2 梅付名, 李光興. 催化技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用 J. 現(xiàn)代化工, 2000,22：193-1963 閆麗, 鄭廣宏. 微波誘導(dǎo)催化技術(shù)在污水處理中的研究進(jìn)展 J. 工業(yè)用水與廢水, 2009, 40(1): 11-14.4 曹磊. 汽車尾氣凈化催化劑的研究進(jìn)展 J. 污染防治技術(shù), 2008, 21(3): 70-72.5 肖霞, 何新秀. 我國汽車尾氣污染的催化凈化 J. 環(huán)境科學(xué)研究, 1998, 11(5): 26-28.6 榮江秀, 石迎霞, 柳海波, et al. 微波誘導(dǎo)催