新型VOCs催化燃燒裝置在本科生培養(yǎng)中的應(yīng)用

王永強, 劉　芳, 趙朝成, 孫　娟, 盧　磊, 李　石

(中國石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)院, 山東 青島　266580)

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新型VOCs催化燃燒裝置在本科生培養(yǎng)中的應(yīng)用

王永強, 劉芳, 趙朝成, 孫娟, 盧磊, 李石

(中國石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)院, 山東 青島266580)

為了適應(yīng)學(xué)科的發(fā)展方向,開發(fā)了一套新型VOCs催化燃燒裝置,該裝置包括進樣系統(tǒng)、預(yù)熱及反應(yīng)系統(tǒng)、產(chǎn)物分離及采集系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)4部分。該裝置在大氣污染控制工程教學(xué)實驗、環(huán)境工程專業(yè)認識實習(xí)、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃中的應(yīng)用表明，該設(shè)備及實驗使學(xué)生對大氣污染控制產(chǎn)生了濃厚的興趣,對于環(huán)境專業(yè)復(fù)合型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)具有重要意義。

大氣污染控制工程； 揮發(fā)性有機污染物； 催化燃燒裝置； 實驗課程建設(shè)

1　VOCs催化燃燒裝置研制宗旨

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展、城市化和工業(yè)化進程的加快,我國環(huán)境污染問題日趨嚴重,尤其是大氣污染,環(huán)境空氣質(zhì)量急劇下降,其中霧霾問題尤為突出。霧霾不僅可導(dǎo)致大氣能見度降低、空氣質(zhì)量的下降,且可嚴重影響人體健康[1-2]。鐘南山院士曾指出“陰霾天氣比香煙更易致癌”。哈佛大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院研究證明,霧霾天中的污染物不僅會引發(fā)心肌梗塞,還會造成心肌缺血或損傷。肺氣腫、哮喘等常見呼吸道疾病,也可能被霧霾天急性觸發(fā)。霧霾問題已經(jīng)成為我國當(dāng)前面臨的最大環(huán)境問題,對其來源和控制的研究是當(dāng)前環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點和難點。造成霧霾的因素除了不利的氣象條件(如逆溫、靜風(fēng)等)外,最主要的原因是污染物的過度排放[3]。引起霧霾的主要污染物包括粉塵、硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、揮發(fā)性有機物(VOCs)以及由其形成的二次污染物等。眾多研究[3-4]表明VOCs是造成霧霾最主要的污染物之一。VOCs是指在常溫下飽和蒸汽壓大于70 Pa,常壓下沸點在260℃以下的有機化合物，包括烷類、芳烴類、烯類、鹵烴類、酯類、醛類、酮類等,主要來源于工業(yè)生產(chǎn)、汽車尾氣及日常生活[5-6]。

目前,VOCs的治理技術(shù)主要包括吸收法、吸附法、熱力燃燒、催化燃燒、生物降解、膜分離等[7],其中催化燃燒法由于具有低能耗、效率高、無氮氧化物等二次污染物產(chǎn)生等優(yōu)點[8],已成為VOCs治理的主要控制技術(shù)。在環(huán)保部發(fā)行的《揮發(fā)性有機物(VOCs)污染防治技術(shù)政策》(公告2013年 第31號)中,催化燃燒法為處理中等和低等濃度VOCs的推薦末端治理技術(shù),尤其是在石化、印刷、噴漆等具有大規(guī)模集中VOCs排放的行業(yè),催化燃燒法可從根本上控制VOCs過度排放[9]。催化燃燒反應(yīng)的核心是高效、穩(wěn)定、低成本催化劑的開發(fā)[10-11],本課題組的主要人員為了進行相關(guān)新型催化劑的開發(fā),曾組裝了一臺簡易的催化燃燒裝置,但裝置簡易且不便操作,此方面的研究成果難以體現(xiàn)在本科生的實驗教學(xué)中。

“大氣污染控制工程”作為環(huán)境工程專業(yè)的專業(yè)核心課,是我校大氣污染控制課程為重點建設(shè)課程,也是我校環(huán)境工程專業(yè)的本科生必修課。除去教授傳統(tǒng)的大氣污染控制理論和技術(shù)外,在教學(xué)過程中也應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生了解學(xué)科的前沿及發(fā)展趨勢。為此中國石油大學(xué)(華東)大氣污染控制工程課程組,在教學(xué)內(nèi)容上加入了VOCs催化燃燒方面的理論講解,為了配合教學(xué)需求,本課題組在多年研究的基礎(chǔ)上,重新設(shè)計了一套VOCs催化燃燒裝置,并委托國內(nèi)某化工機械公司進行了生產(chǎn)。此新裝置不僅僅用于相關(guān)科研,且可用于本科生配套教學(xué)實驗及實習(xí)等方面。在本科實驗教學(xué)過程中開設(shè)VOCs催化燃燒相關(guān)的實驗內(nèi)容,不僅能緊跟國內(nèi)外學(xué)科發(fā)展最新進展,更重要的是能夠把科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué),使教學(xué)科研一體化,學(xué)生在掌握基本理論的同時,可培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2　新型催化燃燒裝置原理及流程

VOCs催化燃燒裝置是一種新型、高效的氣體污染物治理設(shè)備。待處理氣體通過流量計和單向閥控制流量和濃度,然后穩(wěn)態(tài)進入預(yù)熱器,在預(yù)熱單元按照設(shè)定的溫度預(yù)熱待處理氣體,充分預(yù)熱后進入反應(yīng)器,反應(yīng)器內(nèi)裝有催化劑,在催化劑的作用下使VOCs在低于燃點的溫度下進行完全燃燒,尾氣通過分離后進行取樣或在線監(jiān)測。

新型VOCs催化燃燒裝置主要包括進樣系統(tǒng)、預(yù)熱及反應(yīng)系統(tǒng)、產(chǎn)物分離及采集系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)4部分(見圖1)。為了模擬實際氣體多組分復(fù)雜體系,進樣系統(tǒng)包括3路液相、1路氣相進料。3路液相分別可以產(chǎn)生不同的VOCs模型污染物；1路氣相可以通入空氣進行稀釋,以便于模擬實際氣體，也可通入其他氣體。預(yù)熱器可自動跟蹤控溫,根據(jù)設(shè)定的溫度進行程序升溫。反應(yīng)器中心設(shè)一個測溫點,隨時監(jiān)測物料的反應(yīng)溫度；反應(yīng)器外的加熱爐采用等溫加熱爐,反應(yīng)爐為開式爐,設(shè)3個控溫點。產(chǎn)物在保溫箱中用高溫氣液分離罐除去高沸點液相后,采樣分析氣相,氣相冷凝后通過背壓閥將壓力降低至接近常壓后進入氣液分離罐中分離。在線監(jiān)測系統(tǒng)通過六通閥直連瓦里安CP-3800進行在線監(jiān)測。

圖1　VOCs催化燃燒裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3　新型催化燃燒裝置在本科生培養(yǎng)中的應(yīng)用

目前新型VOCs催化燃燒裝置主要應(yīng)用在我校的大氣污染控制工程課程教學(xué)實驗、環(huán)境工程專業(yè)認識實習(xí)和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃。

3.1大氣污染控制工程課程實驗課

3.1.1實驗試劑與儀器

試劑:甲苯(AR)、硝酸鑭(AR)、硝酸鈰(AR)、50%硝酸錳(AR)、無水乙醇(AR)、γ-Al2O3等。

主要儀器:催化燃燒裝置，氣相色譜儀(VARIAN CP-3800)，馬弗爐等。

3.1.2催化劑的制備

本實驗所用的催化劑為自制負載型鈣鈦礦催化劑,選用粒徑介于1～2 mm的球狀γ-Al2O3作為載體負載活性組分。首先對載體進行活化,將γ-Al2O3置于馬弗爐中于550 ℃條件下焙燒4 h;按照化學(xué)計量比稱取一定量的La(NO3)3·6H2O、Ce(NO3)3·6H2O、Mn(NO3)2·6H2O并溶于無水乙醇中,攪拌使其混合均勻；稱取一定量經(jīng)活化的γ-Al2O3載體,按照等體積浸漬法的比例放入上述溶液中，室溫下浸漬12 h；然后放入恒溫烘箱中,于80 ℃條件下干燥12 h;最后將催化劑放入馬弗爐中在一定溫度下焙燒后即得到所需負載型鈣鈦礦催化劑[12-13]。

3.1.3催化燃燒甲苯實驗

采用催化燃燒裝置進行實驗,氣體發(fā)生裝置產(chǎn)生含有確定量的甲苯氣體。根據(jù)Antoine方程,通過設(shè)定相應(yīng)恒溫槽的溫度,計算出甲苯的飽和蒸汽壓,得到揮發(fā)出的甲苯氣體量。調(diào)節(jié)氣路空氣和甲苯氣體的流量比例,就可以獲得不同濃度的甲苯氣體,在實驗中一般選擇甲苯進氣流量為1.0 L/min(反應(yīng)空速為6 000 h-1),甲苯進氣質(zhì)量濃度為4 000 mg/m3左右。反應(yīng)氣體首先經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱至200 ℃,然后進入反應(yīng)器(反應(yīng)器中催化劑的量為10 mL),反應(yīng)器的溫度控制在300 ℃,發(fā)生甲苯的催化燃燒反應(yīng),通過氣相色譜檢測反應(yīng)器進口和出口的甲苯濃度,從而確定催化燃燒裝置的凈化效率。必要時還可以通過調(diào)節(jié)蒸氣發(fā)生器的流量來調(diào)節(jié)污染氣體的相對濕度,以考察在不同濕度條件下的催化效果。

3.1.4操作條件對催化燃燒效率的影響

通過改變處理氣量、進氣濃度、相對濕度、氣體種類及催化劑種類,分別測定不同條件下甲苯的凈化效率,研究催化燃燒基本規(guī)律,加深對催化燃燒理論的理解。

3.2環(huán)境工程專業(yè)認識實習(xí)理論課

本裝置還向參加認識實習(xí)的大二學(xué)生開放。按照我校環(huán)境工程專業(yè)的培養(yǎng)計劃,在大二課程結(jié)束后,暑假期間有2周的認識實習(xí),讓學(xué)生提前了解環(huán)境工程專業(yè)主要涉及的污水、廢氣、固廢等處理裝置和設(shè)施,增加學(xué)生的感性認識。該專業(yè)選擇我們設(shè)計的這套裝置作為認識實習(xí)的一部分,由教師負責(zé)催化燃燒降解氣體污染物的原理,本催化燃燒裝置的主要操作流程和控制單元,讓學(xué)生在沒有接觸專業(yè)課之前,先對常用的氣體污染治理設(shè)備有一定的感性認識,并結(jié)合目前嚴重的霧霾問題,加深學(xué)生對氣體污染物治理的必要性的認識,在激發(fā)學(xué)生對專業(yè)課學(xué)習(xí)的積極性的同時提高他們的社會責(zé)任感。

3.3大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃

本實驗裝置還向參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實驗訓(xùn)練計劃項目(簡稱“大創(chuàng)項目”)的學(xué)生開放。大創(chuàng)項目是國家為了促進高等學(xué)校轉(zhuǎn)變教育思想觀念、改革人才培養(yǎng)模式、強化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力訓(xùn)練、增強高校學(xué)生的創(chuàng)新能力和在創(chuàng)新基礎(chǔ)上的創(chuàng)業(yè)能力,培養(yǎng)適應(yīng)創(chuàng)新型國家建設(shè)需要的高水平創(chuàng)新人才而設(shè)立。為此本課題組每年鼓勵一部分有興趣、科研能力強的學(xué)生,積極參與課題組工作,為其提供一系列大氣污染治理的課題進行鍛煉。迄今為止，已有10余人次在本平臺上開展了大學(xué)生創(chuàng)新項目,通過鍛煉大大提高了他們的動手能力以及分析問題和解決問題的能力。

4　結(jié)語

我國高等教育的任務(wù)是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高級專門人才,為此不僅要進行傳統(tǒng)的基礎(chǔ)知識和理論的教學(xué),更應(yīng)緊跟學(xué)科的發(fā)展方向,著重提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力。作為未來環(huán)境工程的專業(yè)人才,有必要了解國內(nèi)嚴峻的大氣污染形勢,并應(yīng)掌握相關(guān)的污染治理技術(shù)。該新型VOCs催化燃燒裝置在教學(xué)實驗、認識實習(xí)及大學(xué)生創(chuàng)新項目中的應(yīng)用,不僅僅有助于構(gòu)筑學(xué)生的理論知識結(jié)構(gòu),在學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐培養(yǎng)方面也起到了很好的效果,對培養(yǎng)在大氣污染治理領(lǐng)域的專業(yè)人才具有重要意義。

References)

[1] 魏嘉,呂陽,付柏淋. 我國霧霾成因及防控策略研究[J]. 環(huán)境保護科學(xué),2014,40(5):51-56.

[2] 孫丹平,黃國勤. 中國霧霾天氣的成因、危害及其防治措施[J]. 環(huán)境保護前沿,2014,3(4):101-111.

[3] 孫亮. 灰霾天氣成因危害及控制治理[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理,2012,37(10):71-75.

[4] Guo Song,Hu Min,Zamora M L,et al. Elucidating severe urban haze formation in China[J].Proceeding of the National Academy of Science of United States of America (PNAS) ,2014,111(49),17373-17378.

[5] Anand S S, Philip B K, Mehendale H M. Volatile Organic Compounds,Encyclopedia of Toxicology[M].Third Edition. Academic Press,2014:967-970.

[6] Kim S C, Shim W G. Catalytic combustion of VOCs over a series of manganese oxide catalysts [J]. Appl Catal B-Environ，2010,98(3/4):180-185.

[7] Wang F, Dai H X, Deng J G, et al. Manganese oxides with rod-,wire-,tube-,and flower-like morphologies: highly effective catalysts for the removal of toluene[J]. Environ Sci Technol,2012,46(7):4034-4041.

[8] Aguero F N, Barbero B P, Gambaro L, et al. Catalytic combustion of volatile organic compounds in binary mixtures over MnOx/Al2O3catalyst [J]. Appl Catal B-Environ，2009,91(1/2):108-112.

[9] 揮發(fā)性有機物(VOCs)污染防治技術(shù)政策[Z].中國環(huán)境保護部(公告 2013年 第31號 2013-05-24實施).

[10] 張廣宏,趙福真,季生福,等. 揮發(fā)性有機物催化燃燒消除的研究進展[J]. 環(huán)境保護前沿,2007,26(5):624-631.

[11] Liotta L F. Catalytic oxidation of volatile organic compounds on supported noble metals [J]. Appl Catal B-Environ, 2010,100(3/4):403-412.

[12] 王帥,趙朝成,王永強. LaxCe1-xMnO3/Al2O3催化劑的制備及其催化燃燒甲苯的性能[J]. 環(huán)境工程學(xué)報,2012,6(8):2759-2763.

[13] 許秀鑫,王永強,趙朝成. 負載型鈣鈦礦催化劑對VOCs的催化燃燒性能研究[J]. 四川環(huán)境,2013,32(4):33-36.

Application of new-type catalytic combustion of VOCs in undergraduate education

Wang Yongqiang, Liu Fang, Zhao Chaocheng, Sun Juan, Lu Lei, Li Shi

(College of Chemical Engineering,China University of Petroleum(Huadong),Qingdao 266580, China)

A kind of new-type catalytic combustion equipment of VOCs treatment is developed and designed. The designed equipment includes the following four systems: sample system,pre-heat and reaction system,products separation and collection system, and on-line detective system. It is applied to the teaching experiment of air pollution control engineering,the field trip of environmental engineering major, the undergraduates’ innovation and entrepreneurship training program. Through the equipment and experiment,the students increase their interests in air pollution control,which has important significance for the cultivation of interdisciplinary innovative talents in the environment major.

air pollution control engineering; volatile organic compounds; catalytic combustion equipment; construction of experimental course

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.020

2015-11-17

國家自然科學(xué)基金項目(51202294)；山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2014EEM011);中國石油大學(xué)(華東)教改項目(QN201408)

王永強(1978—)，男，山東博興，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為環(huán)境催化.

X701；G642.0

A

1002-4956(2016)6-0074-03