整体式电热合金基催化剂对有机废气的电热催化氧化净化研究

Volatile organic compounds (VOCs) are important pollutants that lead to Atmospheric haze and photochemical smog, and it is necessary to purifying organics-containing exhaust fumes for improving air quality. Catalytic oxidation is one of the most popular methods in dealing with VOCs, whereas the traditional process involves extra heating devices, and the high-cost inhibits the applications. In this proposal, we study the electrothermally catalytic oxidation of VOCs on monolithic electrothermal alloy-based catalysts. This process involves loading catalysts on monolithic electrothermal alloys, passing electric currents through the alloys to raise the temperature when organic vapors flow across the monolith surface, decomposing the organics. This mehtod has some obvious advantages: the combined heating-activation process insure simplicity in equipment and high energy efficiency, which lower operating cost; the monolithic structure and high mechanical strength favor the treatment of pollutants with high flowing rate; and the alloys are cheap and can be easily recycled. The research will be focused on some scientific points: the surface modification of alloys and binding with active phases, the optimization of reactor, the catalytic behavior for typical pollutants and the multiple effects of electric currents, and so on. The research might provide some inspiration on air pollution control.

挥发性有机物（VOCs）是造成大气灰霾和光化学烟雾污染的重要因素，对有机废气进行治理是改善大气质量的必然选择。催化氧化是常用的有机废气治理方法之一，但传统的催化氧化净化设备需要额外的加热装置，体积大，成本高，制约了其广泛应用。本项目建议书提出基于整体式金属电热材料的有机废气电热催化氧化控制方案，即将电热合金材料制成一定的整体式结构，在其上面负载催化活性组分，通过直接向催化剂中通入电流，使有机物的氧化分解反应活化。该方法具有一系列可以预见的优点：加热-催化反应活化一体化，设备简单，能量利用率高，降低成本；整体式结构和高机械强度适用于大风量污染物的净化；电热合金材料成本低廉，且易于回收。拟对以下关键科学问题进行攻关：致密电热合金材料表面处理与活性组分键联；电热催化反应器的结构优化；典型有机污染物的电热催化氧化反应动力学与电流的多重效应等。相关的研究有望为大气污染控制增加技术方法的基础储备。

挥发性有机物（VOCs）是造成大气颗粒物和对流层臭氧污染的重要前体物，为实现空气质量好转，必须对工业有机废气排放进行控制。催化氧化是常用的有机废气治理方法之一，该方法在实施过程中通常要对废气进行加热预处理，使温度升高到反应温度，再流经催化剂床层而被氧化，因此，必须有额外的加热装置，设备体积大，容易造成能量损失。本项目主要研究了基于金属负载型催化剂的有机废气电热催化氧化方法，即将电热合金材料制成一定的整体式结构，在其上面负载催化活性组分，通过直接向合金载体中通入电流，产生热量使有机物的催化氧化反应活化。这种方法将催化剂和加热工具整合成一体，载体即是加热体，加热效率高，能量损失少，温度可以通过调节输入功率而灵活控制，而且装置简化。主要研究了以下内容：设计并建造了基于电热合金材料的电热催化氧化反应器；用涂覆法制备了FeCrAl合金负载的锰氧化物催化剂，发现锆氧化物的存在有利于增强锰氧化物涂层的机械稳定性，而且适量的锆氧化物能起到助催化剂的作用，提高对有机物的电热催化氧化性能；利用合金的导电性，用电镀法制备了其负载的Pd等贵金属催化剂，发现了焙烧形成的表面氧化物或预先涂覆的氧化铝对电镀的Pd催化剂的活性具有显著的促进作用，可能源于界面活性氧的产生；用电镀法制备了合金负载的钴氧化物催化剂，发现以硫酸钴为前体物、以氯化铵为电解质，在合适的电压和电镀时间条件下，可以有效的形成钴涂层，焙烧后形成机械稳定性较好的氧化物催化剂；用电沉积法负载氧化硅涂层，再用表面配位的方法负载高含量、高分散的纳米氧化钴催化剂；此外，探索了用刻蚀法和分散-沉淀法制备催化剂；研究了典型有机污染物的电热催化反应行为和催化动力学。通过研究，为制备高性能有机废气净化催化剂，以及形成新型高效的VOCs电热催化氧化控制技术提供参考。