环境催化作业.doc

2010级环境工程工程硕士 高玉春 学号：MP1025005环境催化作业：环 境 催 化1.环境催化的概述1.1环境催化的定义环境催化至今都没有明确的定义，,给出其定义有一定的困难，但是根据一些专家的理解，环境催化应该包括认为的环境催化和自然界中自发的环境催化1,2，认为的环境催化内容仅限于在以下的过程中研究和使用的催化科学和技术：消除已经产生的污染物；减少能源转化过程中有害物质的产生；将废物转化为有用之物。自发的环境催化可以将整个地球大气层看成一个光和热的反应器，因限于研究和地球表面以及大气颗粒物有关的非均相大气化学中的界面催化过程3。1.2环境与催化中国以及世界上其他国家颁布的环境保护法规对环境一词的界定有所不同，中华人民共和国环境保护法把环境定义为：影响人类生存和发展的各种天然的和经过人工改造的自然因素的总体，包括大气，水，海洋，土地，矿藏，森林，草原，野生动物，自然保护区，风景名胜，城市和乡村等4。事实上，人类生存的环境是十分庞大而复杂的的系统，包括自然环境和社会环境。化学反应物要想发生化学反应，必须使其化学键发生改变，改变或者断裂化学键需要一定的能量支持，能使化学键发生改变所需要的最低能量阈值称之为活化能，而催化剂通过降低化学反应物的活化能而使化学反应更易进行，且大大提高反应速率5。催化的概念是1836年由瑞典化学家Berzelius提出来的，催化科学和技术取得了很大的进步，成为现在工业文明的重要基石之一6，80%以上的化学工业涉及及催化技术，发达国家的GDP的20%至30%来源于催化技术直接和间接的贡献。2室内空气催化净化2.1室内空气净化的起因 目前室内空气的污染程度甚至是室外空气的5-10倍，室内空气污染已成为影响生活质量的主要部分。城市居民的生活时间大约有90%是在室内度过的，因此室内空气污染与人们的身体健康密切相关7。控制室内空气污染的主要途径有3种途径：一是消除污染源；二是加强室内空气流通；三是净化污染物。通过净化技术来控制室内污染就成为改善室内环境的有效手段。2.2室内空气污染物的种类和危害室内空气污染物主要分为几类：化学污染物，室内化学污染物主要有甲醛，三氯乙烯，氨气，苯系物，臭氧，二氧化硫8,9，一氧化碳，二氧化碳，氮氧化物，尼古丁，焦油和氰化氢等，在室内空气中多达数十种以上，特别是室内不通风条件不良时，这些气体污染物就会在室内累计，浓度升高，造成室内空气严重污染；物理污染物，室内几乎所有空间都存在花粉，孢子，人或动物的毛发，灰尘，烟草烟雾等等，在空气中形成悬浮物颗粒，刺激眼，鼻，喉，烟草烟雾还含大量多环芳烃等化学致癌物，可诱发癌症；挥发性污染物，VOCs是一大类重要的室内污染物，室内空气中科检测出900多种VOCs和二恶英10,11。VOCs浓度高时会引起头痛头晕以及中枢神经系统、肝脏、肾脏等的严重危害12,13；微生物污染物，在室内温暖潮湿的地方，容易滋生细菌，真菌和霉菌，产生过敏、哮喘及传染病症状，这些难以直接被感觉到，但对身体危害最大，必须进行控制和净化；还有放射性污染物。2.3光催化氧化光催化的原理是基于光催化剂在光照条件下促进反应物进行的催化氧化还原反应。进入20世纪80年代，光催化在环境净化和有机合成反应中的应用发展迅速，已经成为日益受到严重的一项治理污染新技术14-16。据报道，室内多种气相有机污染物及微生物都可被光催化氧化过程分解和灭杀。 作为科学用语“光催化”一词，由“光+催化”组成，顾名思义，光催化反应意指催化剂在吸收光时发生的化学反应，由于光催化剂多半为半导体，也出现了“半导体光催化反应”一词，用以区分色素和金属络合物等吸收光的光化学反应体系。光催化还原反应多以n型半导体为催化剂，其中二氧化钛的化学性质和光化学性质均十分稳定，并且无毒廉价，资源充分，以其为光催化剂的光催化反应技术也应急扩展到很多领域。在光催化反应体系中，催化剂的选择、光催化反应器的设计和反应条件的优化是提高污染物光催化降解效率的关键。用于光催化反应的催化材料有颗粒粉体、薄膜、复合掺杂等几种形态，相应的配制方法有很多，按照制备条件的差异，大致分为溶液法和气相法两大类。反应器的设计是光催化氧化反应技术应用化的关键，用于处理室内空气污染的反应器，应具有相对较高的气体流速，反应器内部结构能够满足催化剂与气体污染物之间的充分接触，存在相对较小的压力差，光催化氧化还原空气中污染物的反应器研究逐渐发展起来，并且在日本、欧美、等国家实现了应用15，其中蜂窝层格式、流化床式、管式反应器是3种最具有代表性的反应器装置。影响光催化学活性因素有催化剂的晶型结构；粒径与比表面积；助催化剂。3移动源燃烧排放的催化净化3.1移动污染源的概述移动污染源是位置可以移动的污染源，比如汽车、轮船、火车、飞机等。因为其位置不断变化，对周围环境的影响也不确定。减少移动污染源大气环境公害的方法可以归纳为两类。从源头着手的控制技术称为源头法，如把燃烧污染物消灭在燃烧化学能转化为机械能过程中的技术，该法也称为机内净化。另一种方法则是减少已经产生的排放到大气中的污染物，成为后处理技术，主要包括各种催化净化和过滤处理方法等。按照使用的燃料区分，汽车可分为汽油车、柴油车和代用燃料车，汽车排放的尾气成分中，除氮气、氧气以及燃烧产物二氧化碳和水为无害成分外，其余均为有害成分。3.2汽油发动机尾气催化净化西方国家从20世纪60年代开始进行汽车尾气催化净化的研究，70年代中期开始安装含有Pt-Pd的氧化型催化剂17，主要目的是控制CO和HC排放，并通过EGR方法来减少氮氧化物的排放。从汽油车尾气排放控制技术发展历史来看，出现过5种尾气排放控制策略，也称之为5种方法。它们分别用于不同的历史阶段和不同的发动机类型。第一种控制策略是闭环控制的三效催化剂技术，三效催化剂的理论空燃比附近净化尾气中的CO、HC和氮氧化物。第二种控制策略是开环控制的三效催化剂技术。三效催化剂在很宽的尾气排放组成下工作，催化剂需要具有多功能化性质，即可以促进所有CO、HC和氮氧化物净化反应的进行。第三种控制策略是双段床尾气催化控制技术，在这里，催化剂部分由2种不同类型的催化剂组成，催化剂的前级可以是多功能催化剂或者是氮氧化物还原催化剂，后级是氧化型催化剂。第四种控制策略是氧化型催化剂技术第五种控制策略是贫燃发动机的尾气污染控制技术，该技术应用的催化剂为氮氧化物吸附还原催化剂和氧化型催化剂。催化转化器是由壳体、减震层、催化剂3部分组成。其中催化器是指载体、涂层和催化活性组分，它是整个催化转化器的核心部分，决定着催化转化器的主要性能指标。过度金属催化也很重要，也广泛使用。3.3柴油机尾气催化净化传统的汽油机在理论空燃比（14.7）附近的狭窄范围内工作，这在一定程度上牺牲了燃油的经济性。柴油机也是典型的稀燃发动机，虽然与汽油机相比，稀薄燃烧发动机是一种环境友好的发动机，采用富氧燃烧技术一直了CO、HC的形成，但是与装配了三效催化剂的汽油车相比，柴油机的氮氧化物和颗粒物排放和稀燃汽油机的氮氧化物排放成为制约其推广的重要因素。柴油机的前处理是通过改变燃料性质或在柴油中加入燃料添加剂来改善燃烧后尾气的排放。柴油的品质对尾气排放有很大影响。机内净化主要是由改进进气系统、改变喷油时间和改变供油时间。柴油机后处理净化主要是经过静电、过饱和水蒸气、超声波等手段使小粒子聚合成较大的颗粒，再通过旋风除尘器或其他各种颗粒收集器净化这些颗粒。颗粒收集器是用以减少柴油机颗粒物的一种废气处理技术，即先用收集器过滤废气中的颗粒物质，然后通过对收集的颗粒的氧化来清洁滤器。柴油机是富氧燃烧，排气中的氧含量很高，HC和CO含量很低，柴油机用氮氧化物还原氧化剂尚未确立实用技术，降低汽油机排气中的氮氧化物排放的三元催化转化器技术对柴油机不适用。另外，采用化学方法降低氮氧化物也不适用。所以，可以选择的车用柴油机排气中氮氧化物净化只能是在排气中加入还原剂和氮氧化物进行还原的方法。4结论催化即通过催化剂改变反应物的活化能，改变反应物的化学反应速率，反应前后催化剂的量和质不发生改变的反应。在催化反应的选择性可能是控制编制和新材料的使用。催化剂会诱导化学反应发生改变，而使化学反应变快或减慢或者在较低的温度环境下进行化学反应。催化剂在工业上也称为触媒。们介绍了两种催化处理技术，其实还有很多种，比如水处理过程中的多相催化、固定燃烧排放的催化净化、挥发性有机化合物和天然气的催化燃料、大气层中的环境催化过程、温室气体和臭氧层消耗物质的催化转化等18。 环境催化的研究和应用日新月异，即使用狭义的环境催化定义进行统计，环境催化剂的市场份额也已经超过了石油化工、聚合物和精细化工的市场份额，根据催化剂集团网站数据显示，1999年全球催化剂市场销售额为86亿美元，其中环境催化剂销售额为26亿美元，占据世界催化剂市场最大份额。放眼21世纪，以消除环境污染物质、减轻环境负荷、将废物转化成有用之物为目的的环境催化工业已经日益成为催化