催化在之力环境污染中作用的论述.doc

催化在治理环境污染中作用的论述摘要：随着科技发展，人类环保意识的提高，对现代工业中产生的环境污染物的处理也越来越重视。催化剂的使用是处理环境污染中最重要也是最有效的途径。本人论述了催化剂在治理环境污染中的应用，重点综述了催化剂在大气污染及水污染中的应用。叙述了纳米光催化技术、微波诱导技术在处理废水中的应用以及最新的处理汽车尾气的催化剂的结构和种类。关键字：催化剂，催化作用，环境污染前言催化剂的一般含义是指一种通过基元步骤的连续和重复循环，将反应物转化成产物的物质, 而在循环重复的最后一步，催化剂又恢复到原来的形式。以控制和预防环境污染为目的的催化剂和催化过程的研究称为环境催化研究。由于工业生产发展而日趋严重的环境污染以及催化科学和技术的发展，环境催化的科学和技术己有很大的发展。和能源密切相关的多相催化工业技术在过去半个多世纪 中呈现了三个量子化发展阶段1:第一阶段为40年代末至50年代初，为石油炼制技术的大发展（如催化裂化、加氢裂解、催化重整和异构化等）；第二阶段为70 年代至80年代石油化工的大发展（如新型ZSM5分子筛催化剂用于异构化 、歧化和芳烃烷基化过程等）；而90年代为第三阶段是环境催化大发展的时期,例如成功地将催化剂用于汽车排气净化，还有催化消除氧化氮类、氧化硫类 ，可挥发性有机组分的催化氧化、催化燃烧等。催化是炼油、化工和环保等方面创造巨大经济效益和社会效益的关键技术.在世界催化剂销售市场，炼油、化工和环保三大领域中，环保催化剂销售额比例日趋上升2,3。1989 年美国的环保催化剂销售额已超过炼油用的催化剂。1993年日本的环保催化剂已占总额的55% 60% ，西欧也已占60%以上。近年来，以环境污染控制和预防为背景的催化学术会议频繁召开，专门书籍陆续出版.这些动向均表明当今催化学术界在此领域的研究异常活跃。正文：1、催化剂在污染水处理中的应用1.1 纳米光催化材料在水处理中的应用纳米光催化材料大多是金属氧化物或硫化物等半导体材料，它们具有特殊的电子结构，它们在光激发下所产生的电子和空穴，将反应物还原或氧化，从而使污染物得到降解，并最终完全矿化为CO2 、H2O和毒性小的有机物和无机离子等，因此在能源、绿色化学方面显示出其独特的功效4。纳米光催化材料有以下的特点5 : 降解没有选择性，能使有害物质完全分解，不会产生二次污染可以在常压下操作，反应条件温和，降低操作难度，不需要大量消耗除光以外的其他物质，可以降低能量、原材料的消耗而达到除毒、脱色、去臭的目的。光催化剂具有廉价、无毒、稳定以及可以重复利用等特点。因此很多专家预测纳米光催化材料将是未来水处理技中的主力军，常见的纳米光催化材料有: TiO2、ZnO、BiVO4、Al2O3等。其中纳米 TiO2活性高，热稳定性好，成本低，安全无毒，是现在研究最广，最被看好的材料。在紫外光照射下，纳米 TiO2表面会产生氧化能力极强的羟基自由基，使水中的有机污染物氧化降解为无害的 CO2和水。目前纳米TiO2主要的应用领域有化工废水、染料废水、农药废水、含油废水、造纸废水等有机废水的处理。例如: 赵文宽等以煤灰中的漂珠为载体、钛酸丁酯为原料，制备了一种载有纳米TiO2粉体的漂浮型光催化剂，在紫外光或太阳光直接照射下，能有效降解水面石油污染物。同济大学李田等将纳米TiO2固定于玻璃纤维网上形成催化膜，用于深度净化饮用水。经处理的自来水中有机物总量去除率达60%以上，19种优先污染物中有5种被完全去除，其他有机物的浓度也基本降至检测限以下，同时细菌总量明显减少，处理水质达到了安全饮用的要求。另外，在无机物的处理方面，纳米TiO2可以吸附高氧化态汞、银、铂等贵重金属离子，而无机离子在纳米粒子表面具有光化学活性，从而在光催化下被还原为细小的金属晶体，被催化剂吸附，毒性因此被大大降低。1.2 微波诱导催化技术在水污染治理中的应用1.2.1 微波诱导催化技术的基本原理微波诱导催化反应的基本原理可简述如下： 将高强度短脉冲微波辐照聚集到含有某种“敏化剂”（如铁磁金属）的固体催化剂床表面上，由于表面金属点位与微波能强烈的相互作用，微波能将被转变成热能，从而使某些表面点位选择性地被迅速加热到很高的温度（例如很容易超过1400）。 在此反应过程中， 催化剂的作用不仅仅在于把热能聚焦，而且还可借它与反应物和产物相互作用的选择性而影响反应的进程6。微波诱导催化反应中，微波主要是与催化剂或其载体相作用，被激活的催化剂再催化相应反应的进行。由此可见， 微波诱导催化反应中催化剂及载体的作用是非常重要的，必须要与所加微波能发生强烈的相互作用。很显然，最适宜作催化剂的是微波高损耗物质，而载体则宜选用微波低损耗物质。物质吸收微波的能力与很多因素有关，所以在实际工作中微波诱导催化反应所用催化剂的选择往往还需要通过大量实验来加以筛选7。1.2.2 微波诱导催化技术在污水处理中的应用研究如前所述， 许多有机化合物都不直接明显地吸收微波， 但可利用某种强烈吸收微波“敏化剂”把微波能传给这些物质而诱发催化反应， 这些物质降解的同时在催化剂表面产生空位， 重新吸附污水中的有机物， 这一动态平衡的不断进行实现了污水中有机污染物的逐渐降解去除。2、催化剂在大气污染处理中的应用2.1催化技术在汽车尾气治理中的应用汽车尾气净化催化剂多为负载型催化剂, 活性组分及助催化剂均负载在载体上。活性组分是起催化作用的组分, 助催化剂虽然其本身无催化活性或活性很低, 但可大大提高主催化剂的活性、选择性或寿命, 特别是在汽车排气的恶劣环境下, 为提高催化剂的稳定性, 常常要加入助催化剂。一些助剂则直接加到涂层中, 以改善其性能。汽车尾气催化反应机理十分复杂, 催化剂各组分 常常协同作用、不分主次, 催化剂活性组分与助剂常难以明确区分, 通常将它们统称为活性组分8。根据载体材料的不同，目前整装式载体有陶瓷蜂窝载体和整装式金属载体两大类。陶瓷蜂窝载体是目前使用最广泛的汽车尾气净化催化剂载体, 其中以堇青石(2MgO#2Al2O3#5SiO2)为主要成分的载体最常用。它的优点为：众多约束气道, 既为催化剂活性成分和废气提供了最大的接触面积, 又可以使气流的压力降最小，仅为颗粒状载体的1/20,故特别适合于受控制的多相催化反应; 且蜂窝结构体积密度低，热稳定性好，热膨胀系数低，有利于提高催化剂的起燃性能。整装式金属载体具有很好的耐冲击性能和机械性能、导热性好、热容小, 且载体与金属外壳之间的匹配性能好及抗震能力强等优点。因金属载体的特点, 对降低汽车排气阻力十分有利,明显改善了其动力性能, 提高了尾气的净化效率,同时延长了净化器的使用寿命。截止目前,Ni-Cr、Fe-Cr-Al和Fe-Mo-W等三类合金可用作汽车尾气净化催化剂的金属载体材料, 从加工性能和经济性等方面综合考虑, 是最具前景的合金载体。金属合金载体的结构主要也是蜂窝柱体, 它比陶瓷载体有更高的比表面积和良好的热启动性。但其制造工艺复杂, 加之其表面涂敷工艺还不完善, 载体的抗高温氧化性还有待提高, 因此, 尚未获得广泛的应用。2.2催化技术在工业废气治理中的应用工业废气处理催化剂包括控制发电厂和锅炉烟道气、硝酸厂尾气、烤漆房尾气、焚烧炉废气所用的催化剂。工业环保催化剂约占整个环保催化剂销售额的十分之一，并逐年保持非常高的增长速度，它会在环境保护中显示更大的作用9。氮氧化物的去除主要是催化氧化法。即在固体催化剂存在下，利用各种还原性气体（H2、CO、烃类和NH3等），以致碳和氮氧化物反应转化为氮气的方法。日本早在20世纪70年代就开发出SCR脱氮氧化物的催化剂，后来日本生产了一种非铂选择性催化剂，主要是以TiO2为载体，活性组分是V2O5、Fe2O3或CUO、NOX的去除率约为80%。美国和德国最近开发的一种价廉的分子筛催化剂，NOX可通过催化剂直接分解为N2和O2，但是这种催化方法要使用NH3，而未反应的NH3也是一种污染。1990年Iwamoto等人研制的CU-ZSM-5在直接分解NO方面达到了前所未有的水平。而且反应温度有很大影响，500左右时，活性达到最大。S02几乎全部由煤和汽油燃烧时产生；利用催化剂可以在重油使用前先回收30%90%的硫，使用的催化剂主要是以Al2O3为载体的Co(Ni)Mo系列元素；由燃烧排除的硫，有人提出了以V2O5为催化剂，将S02氧化制成硫酸，也有人提出将钙钛矿型稀土复合氧化物催化剂，将S02直接还原成工业有用的单质硫的方法；我国有人提出用软锰矿吸收S02，并且可以生产硫酸锰。另外还有人以焦炭为催化剂，采用碳还原的方法，以NiO/MgO为催化剂，以氨为还原剂；Fe/r- Al2O3为催化剂，CO为还原剂等，将S02还原为单质硫，S02的转化率均在80%以上，以控制S0X的排放量。对于有机废气种类繁多，有饱和烃、不饱和烃、卤化物、含硫有机物、含氮有机物等。用于有机废气净化的催化剂类型大体上可以分如下几类：贵金属催化剂、金属氧化物催化剂等。贵金属催化剂的活性元素一般为Pt、Pd，常用的催化剂为Pt/Al2O3，金属氧化物催化剂一般为稀土与过渡金属氧化物的复合物，对于可激活的催化剂，如Ag/MnO2，Pt/SnO2，Au/Fe2O3等。3、总结尽管国内外对环境处理的催化应用和研究较多，但由于存在许多不足之处，因而离实际应用还有较大的距离。要达到规模实用要求，还需要从催化剂的结构、制备的工艺、催化反应的机理几方面进一步研究。总之，对于环境催化剂的研究与开发以经济合理与切实可行为原则，使其在环境保护中发挥更大的作用。参考文献：1 叶代启, 梁红. 大气污染治理中的催化技术 J. 工业催化, 1999, 5：3-8.2 梅付名, 李光兴. 催化技术在环境保护中的应用 J. 现代化工, 2000,22：193-1963 闫丽, 郑广宏. 微波诱导催化技术在污水处理中的研究进展 J. 工业用水与废水, 2009, 40(1): 11-14.4 曹磊. 汽车尾气净化催化剂的研究进展 J. 污染防治技术, 2008, 21(3): 70-72.5 肖霞, 何新秀. 我国汽车尾气污染的催化净化 J. 环境科学研究, 1998, 11(5): 26-28.6 荣江秀, 石迎霞, 柳海波, et al. 微波诱导催