催化技術(shù)在大氣污染治理中的運(yùn)用研究

侯 嫻

（運(yùn)城市生態(tài)環(huán)境宣教中心，山西 運(yùn)城 043600）

工業(yè)化進(jìn)程的飛速發(fā)展極大地便利了人們的日常工作和生活，但是化石燃料產(chǎn)生的廢氣廢物對人類健康以及自然環(huán)境帶來了嚴(yán)重的負(fù)面影響，大氣環(huán)境治理工作刻不容緩[1]。催化技術(shù)最早出現(xiàn)于20 世紀(jì)初期，目前已經(jīng)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的得到了廣泛的應(yīng)用。

1 大氣污染現(xiàn)狀

大氣污染物主要包括CO2、CO、SOx、NOx以及非甲烷VOCs 等，其來源主要以化工廠、發(fā)電廠、汽車尾氣排放為主。改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源消耗不均衡的現(xiàn)象頻發(fā)，煤炭消耗、化工廠排放所帶來的的大氣污染問題日益嚴(yán)峻。截止2022 年底，我國機(jī)動(dòng)車保有量近3.2 億輛，其中95%以上為燃油車，汽車尾氣中一氧化碳和碳?xì)浠衔镎急瘸^80%，龐大數(shù)量的汽車尾氣排放給大氣造成了嚴(yán)重的污染[2]。

如表1 所示，CO2排放問題已經(jīng)成為人類共同關(guān)注的問題。社會(huì)生產(chǎn)以及人類活動(dòng)產(chǎn)生了大量的CO2，嚴(yán)重超過了地球自身的吸收能力。為解決CO2吸收不平衡的問題，各國制定了“碳達(dá)峰、碳中和”計(jì)劃，并實(shí)施碳捕集策略。基于催化技術(shù)將CO2與CH4反應(yīng)得到氫或者乙酸，或者在催化作用下與氨反應(yīng)得到尿素，將其轉(zhuǎn)換為可用的化學(xué)物質(zhì)；SO2問題也是大氣污染的治理的重點(diǎn)所在，基于環(huán)境催化技術(shù)可以將其催化還原轉(zhuǎn)換為有用的化工產(chǎn)品單質(zhì)硫磺；對于NOx來說，優(yōu)選催化還原工藝，可將其催化轉(zhuǎn)換為氮?dú)夂退任镔|(zhì)。

表1 大氣主要污染物統(tǒng)計(jì)

2 催化技術(shù)在大氣污染治理中的應(yīng)用

2.1 催化技術(shù)

在大氣污染治理過程中，應(yīng)用催化技術(shù)可以有效地消除有害物質(zhì)，減少對自然環(huán)境的二次污染。在大氣污染治理領(lǐng)域，常用的催化技術(shù)包括選擇性催化還原技術(shù)、催化凈化技術(shù)、碳吸附氧化技術(shù)、納米光催化技術(shù)等。

2.1.1 催化還原技術(shù)

對于大氣中的氮氧化物來說，應(yīng)用催化還原技術(shù)能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為無污染的氮?dú)夂退龋c此同時(shí)，借助脫硝方法能夠有效提高還原效率，應(yīng)用效果顯著。在實(shí)際脫硝過程中，精準(zhǔn)控制氨流量、反應(yīng)溫度（多選擇290～420 ℃的環(huán)境）、優(yōu)選催化劑是提高催化還原的關(guān)鍵，此外需要對未完全反應(yīng)的催化物進(jìn)行處理。

2.1.2 催化凈化技術(shù)

該技術(shù)在汽車尾氣污染治理領(lǐng)域應(yīng)用較多。在實(shí)際中，基于SCR 催化技術(shù)，設(shè)置良好的尾氣匹配溫度，促進(jìn)催化轉(zhuǎn)型反應(yīng)，提升尾氣污染物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率。利用尾氣分析儀對CO 以及氮氧化物進(jìn)行檢測，落實(shí)催化凈化技術(shù)的作用狀況。

2.1.3 炭吸附氧化技術(shù)

該技術(shù)應(yīng)用活性炭的強(qiáng)吸附能力，對大氣中的硫化物等污染物進(jìn)行吸附處理，減輕大氣的污染程度。炭吸附氧化技術(shù)實(shí)施的關(guān)鍵在于選擇合適的吸附劑，目前部分新型吸附劑能夠較好的將硫化物從大氣中深度分離出來。

2.1.4 納米光催化技術(shù)

納米光催化技術(shù)起源于20 世紀(jì)70 年代，在紫外光照射條件下，TiO2電極能夠讓正常狀態(tài)下的水發(fā)生氧化還原反應(yīng)。在特定的光照條件下，TiO2能夠吸收短波光輻射，在光照能量作用下價(jià)帶電子形成躍遷，依附于TiO2表層的H2O 和O2發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，生成強(qiáng)氧化性能的超氧陰離子自由基，大氣中的污染物被其氧化并降解為無機(jī)酸、CO2以及H2O 等成分。該技術(shù)充分應(yīng)用了太陽能這一清潔能源，能夠避免二次污染，優(yōu)勢明顯[3]。TiO2作為具有強(qiáng)氧化功能的催化劑，活性高、毒性低，但是其劣勢在于需要在波長小于388 nm 的紫外光照射下才能激發(fā)。傳統(tǒng)光催化劑受限于光譜響應(yīng)范圍以及量子效率等問題，應(yīng)用受限，研究人員針對光催化材料開展了大量的研究，比如對光催化劑表層性能、能帶結(jié)構(gòu)等進(jìn)行調(diào)控，提高電子分離效率，保證納米催化劑的高性能[4]。

2.2 實(shí)際應(yīng)用

2.2.1 煙氣脫硫方面

將SO2催化還原為單質(zhì)硫磺工藝技術(shù)的核心原理是，將不充分燃燒產(chǎn)生的水煤氣、CO 作用生成的氫作為還原劑，在催化反應(yīng)器中將煙氣中的SO2還原為單質(zhì)硫，經(jīng)冷卻后得到化工產(chǎn)品硫磺[5]。如圖1 所示，將除塵后的煙氣預(yù)加熱到250～300 ℃，在進(jìn)入催化反應(yīng)器前測定煙氣中的SO2濃度以及不同組分的含量，基于此設(shè)置還原劑的用量，在400 ℃溫度環(huán)境下實(shí)現(xiàn)煙氣脫硫。

圖1 SO2 催化還原為單質(zhì)硫磺流程圖

此外，也可以使用催化劑將SO2轉(zhuǎn)化為SO3，并得到H2SO4等化工產(chǎn)品，其中較為常見的是碳基催化氧化SO2工藝，其流程是將工業(yè)煙氣進(jìn)行除塵處理，并調(diào)制成氧氣體積分?jǐn)?shù)為5%～15%的煙氣水蒸氣體積分?jǐn)?shù)（6.5%～10%），在80～100 ℃環(huán)境下催化反應(yīng)，獲得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～30%的H2SO4產(chǎn)品。某企業(yè)炭基催化氧化法34×104m3/h 硫酸尾氣脫硫項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)對比情況見表2 所示，該方法應(yīng)用效果較好，脫硫效率近95%。與傳統(tǒng)脫硫方法相比，炭基催化氧化工藝流程短、操作簡單，脫硫效率高，作為干法脫硫技術(shù)不會(huì)出現(xiàn)結(jié)垢、堵塞等問題。

表2 某企業(yè)脫硫處理項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)對比

2.2.2 煙氣脫硝方面

對于大氣中的氮氧化物來說，其凈化方式主要以燃燒過程、末端控制為主。燃燒過程指的是優(yōu)化改善燃燒過程降低氮氧化物的生成，末端控制則是通過（非）催化法實(shí)現(xiàn)煙氣脫硝。非催化法（SNCR）不依賴催化劑即可實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，存在能耗及費(fèi)用高等問題，常見的有濕式吸收法、電子束照射法等；催化法（SCR）則是選用氨等還原劑與氮氧化物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，脫除氮氧化合物，在工程實(shí)際中應(yīng)用較多，其工藝流程見圖2 所示。以氨作為還原劑的脫硝反應(yīng)方程式為式（1）—式（3）：

圖2 SCR 法工藝流程示意圖

一般反應(yīng)溫度為180～600 ℃。催化法對催化劑要求較高，催化劑成本占比高達(dá)20%～40%，目前常見的催化劑有貴金屬類催化劑（Pt-Rh、Pd 等）、非貴金屬氧化物（Fe2O3、V2O5等）、沸石分子篩型催化劑等。貴金屬催化劑的使用溫度為180～290 ℃，分子篩型催化劑的使用溫度一般為360～600 ℃。催化劑能夠提升化學(xué)反應(yīng)效率，其自身不會(huì)消耗，但其表面容易被污染，導(dǎo)致其催化效率下降。催化法在實(shí)際應(yīng)用中容易出現(xiàn)的問題主要有：催化劑失活；煙氣分布不均勻影響脫硝性能；煙氣中的部分硫化物與NH3反應(yīng)導(dǎo)致催化劑中毒等[6-7]。

2.2.3 VOCs 凈化方面

常見的VOCs 凈化方法包括源頭控制和末端控制兩大類，其中前者側(cè)重優(yōu)化生產(chǎn)工藝，降低其排放量，后者則是采用物理化學(xué)方法將其降解為低毒物質(zhì)。催化燃燒是選擇催化劑將大氣中的VOCs 成分降解為CO2以及H2O 等無毒物質(zhì)，其燃燒流程見圖3 所示。與傳統(tǒng)直接燃燒法相比，催化劑的加入可以降低反應(yīng)溫度至150～400 ℃，避免氮氧化物的生成。基于TiO2的納米光催化技術(shù)能耗低、降解效率高，在室內(nèi)空氣凈化方面應(yīng)用較多。對于VOCs 的凈化來說，催化劑的選擇至關(guān)重要，其催化效率受溫度、進(jìn)氣條件等多種因素的影響。溫度過低，會(huì)影響化學(xué)反應(yīng)效率；溫度過高則可能造成催化劑燒結(jié)、失活。

圖3 VOCs 催化燃燒流程圖

2.2.4 尾氣治理方面

對于汽車尾氣的處理一般是選擇催化劑促進(jìn)HC、CO、NOx等有害物質(zhì)的降解反應(yīng)。汽車尾氣治理催化劑主要涉及活性成分以及載體材料兩部分，其中前者主要以貴金屬催化劑（Pt、Rh、Pd）為主，此外也可引入La、Ce、Zr 等添加劑改善催化劑結(jié)構(gòu)以及催化性能。早期的活性成為以Pt、Pd 為主，隨著NOx排放被嚴(yán)格限制，三元催化劑（TWC）應(yīng)運(yùn)而生。因Rh、Pt 等貴金屬價(jià)格昂貴，減少貴金屬的使用、尋找替代品、提升堿金屬氧化性能成為三元催化劑的重要發(fā)展方向。

3 結(jié)語

隨著綠色環(huán)保理念的逐步普及，改善大氣質(zhì)量、解決大氣污染問題越來越受到人們的關(guān)注。傳統(tǒng)物理、化學(xué)等大氣治理技術(shù)能耗高、工藝復(fù)雜，催化技術(shù)的出現(xiàn)給為人們提供了更為高效的治理思路[8]。催化劑作為重要的影響因素，其載體材料制備、活性組分性能改善、催化劑研發(fā)和制備是后續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)方向。在實(shí)際中，結(jié)合不同催化技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，針對性地選擇催化手段，改善大氣污染情況，助力生態(tài)建設(shè)的高質(zhì)量開展。