臭氧等離子體低溫催化氧化低濃度有機廢氣的實驗研究

宋春雨

(重慶化工職業學院 化學工程學院，重慶 401228)

等離子體與催化劑結合去除VOCs是近年來備受關注的一種技術，臭氧氧化技術可應用于起燃溫度低的低濃度VOCs的處理。臭氧必須在適宜溫度下進行，較高溫度會使臭氧迅速分解為氧氣，因此將臭氧與催化劑結合，在低溫下產生協同作用，能達到良好的催化氧化效果。低溫等離子體催化氧化技術適用于低濃度VOCs的凈化，在常壓常溫下反應迅速，具有良好的應用前景。本實驗就對臭氧等離子等溫催化氧化甲苯進行了實驗研究。

1 儀器與方法

1.1 實驗原料和設備

氣相色譜(SP-6890)，馬弗爐(SX2-4-10)，臭氧發生器，鼓風干燥箱，電子恒溫水浴鍋(DZKW-4)，氧化鋁，硝酸銅(AR級)，硝酸錳(AR級)，硝酸鈰(AR級)，甲苯(AR級)。

1.2 催化劑的制備

本實驗采用熱吸附法制備催化劑，活性組分選用硝酸銅、硝酸錳、硝酸鈰的單一或組合，將其配置成溶液；將γ-Al2O3載體放入溶液中浸漬24h，加熱煮沸，將浸漬后的γ-Al2O3于鼓風干燥箱中110℃下干燥12h，后置于馬弗爐中在550℃下焙燒5h。

1.3 催化劑性能評價

臭氧低溫催化氧化低濃度甲苯的評價裝置如圖1所示。來自鋼瓶的氮氣，一路通過質量流量計通入置于水浴鍋里的甲苯鼓泡瓶，產生甲苯，另一路作為平衡氣與甲苯混合。氧氣經臭氧發生器產生臭氧，與甲苯氮氣混合后進入反應器，進行臭氧催化氧化。原料和尾氣都經臭氧分析儀檢和氣相色譜分別檢測臭氧及甲苯濃度。對比實驗中，甲苯氮氣直接進入反應器進行催化氧化，不于臭氧混合，原料氣和尾氣測定甲苯濃度。

1.4 氣相色譜檢測條件

圖1 催化劑性能評價簡圖

2 結果與討論

2.1 不同活性組分對催化劑性能的影響

實驗中甲苯濃度為15mg/L，臭氧濃度為3.0mg/L，催化劑用量為0.5mL，空速為10000h-1。采用熱吸附法分別制備以γ-Al2O3為載體，活性組分為CuO、MnO2及物質的量比為1∶1的銅錳復合氧化物催化劑，其中均為負載量5%。評價結果如圖2。

圖2 臭氧對不同活性組分催化劑性能的影響

由圖2可知，有臭氧存在的情況下，催化劑在30～110℃范圍內可對甲苯產生良好的催化效果，無臭氧存在時，要達到相同催化效果，溫度需要60～220℃，臭氧的存在可降低反應溫度，且臭氧的存在可以可改善銅錳復合氧化物催化劑的催化效果，使其要優于活性組分為CuO、MnO2的催化劑，表明臭氧可起到增強金屬協同效果的作用。

2.2 負載量對催化劑性能的影響

上述實驗中活性較強的物質的量比Cu∶Mn=1∶1的復合氧化物催化劑，分別制備不同負載量的5組催化劑，負載量分別為1%、3%、5%、7%、10%。活性評價結果如圖3所示。

圖3 不同負載量對催化劑性能的影響

活性組分添加量的不同，會影響催化劑的活性。由圖3可知，低濃度負載時，催化劑的活性隨著負載量的增加而增強。當負載量超過5%以后，活性的增加速率變小，原因是活性組分較少時，活性組分能均勻分布在載體上。活性組分過多時，會堵塞催化劑孔道，當負載量繼續增大，還會造成催化效率下低，由此確定最佳負載量為5%。

2.3 負載量對催化劑性能的影響

實驗中所用催化劑選用Cu、Mn兩種活性組分，制備物質的量比Cu∶Mn=1∶1的復合氧化物催化劑，負載量為5%，考察不同的焙燒溫度，對催化劑活性的影響。活性評價結果如圖4所示。

由圖4可知，當焙燒溫度低于500℃時，隨著溫度升高，催化劑活性提高，在500℃時活性達到最強，原因是較低的焙燒溫度使復合氧化物催化劑無法形成穩定化合物。當焙燒溫度過高時，會改變催化劑活性組分價態，亦或使催化劑燒結，造成催化劑活性明顯下降。因此選擇500℃的焙燒溫度為最適宜溫度。

圖4 不同焙燒溫度對催化劑性能的影響

3 結論

本實驗采用熱吸附法制備催化劑，活性組分選用硝酸銅、硝酸錳、硝酸鈰的單一或組合，對臭氧等離子體等溫催化氧化甲苯進行了催化劑性能評價。實驗結果表明，有臭氧存在下，催化劑的反應溫度明顯下降，且活性組分為物質的量比Cu∶Mn=1∶1的復合氧化物、最佳負載量為5%、焙燒溫度在500℃時，催化劑的活性最佳。