锰基多元催化剂调控制备及室温臭氧强化催化氧化低浓度有机废气机理研究

Volatile organic compounds (VOCs), with complex composition and numerous emission sources, are one of the priority pollutants listed in the "12th 5-Year Environmental Protection Plan" of China. Catalytic ozonation presents an emerging efficient technology for VOCs destruction due to its advantages like strong oxidation capacity and mild reaction conditions. In this project, efficient manganese-based multi-component catalysts of good stability will be developed by controlling catalyst carriers, active components and preparation methods to overcome the limitation with catalytic ozonation such as low catalytic activity and deactivation of catalysts. The catalysts are evaluated in form of catalytic ozonation of benzene at room temperature and further characterized to obtain the structural information including adsorption capacity, surface area, particle size and dispersion. This information will be used to establish catalytic structure-activity relationship, clarify the key structural parameters of multi-component catalysts and reveal their machanism on the increased catalytic activities and stability. The adsorption, migration and transformation of reactants and intermediates are tracked and analyzed by means such as in situ IR to find out the mechanism and pathways of benzene catalytic ozonation. The effect of operating parameters and elimination of residual ozone is studied for further industrial use. This project is of great significance for low-concentration VOCs control via catalytic ozonation. It also enrich the technology and theory of air pollution control.

有机废气来源广泛、成分复杂，是国家环境保护"十二五"规划重点控制的一类污染物。臭氧催化具有氧化能力强及反应条件温和等优点，是一种新兴高效的有机废气治理技术。针对反应过程存在的催化剂活性低、易失活等缺点，本项目通过调控活性炭载体、过渡金属氧化物活性组分及合成工艺等方法，制备高效、稳定负载型锰基多元催化剂；考察多元催化剂室温下臭氧强化催化氧化苯活性，表征分析催化剂吸附性能、比表面积、粒径和分散度等结构性能，建立催化剂构效关系，明确影响污染物降解的重要结构参数，掌握调控催化活性及稳定性的方法，揭示多元催化剂作用机制。采用原位红外等手段，追踪反应物及中间产物在催化剂表面的吸附、迁移和转化历程，阐明苯臭氧催化氧化历程及作用机理。考察并优化反应工艺，研究残余臭氧消除，为应用提供基础数据。该研究对于丰富空气污染治理技术与理论以及实现通过臭氧催化氧化途径治理低浓度有机废气具有重要意义。

空气污染是导致人类健康欠佳和过早死亡的主要原因，挥发性有机物是雾霾形成重要前体物，然而目前缺乏有效治理技术。.本项目通过调控活性炭载体及合成工艺等方法，制备出系列臭氧氧化催化剂。在此基础上，采用首创镀膜包裹改性技术，制备出新型锰基复合催化剂，成功实现其在臭氧催化氧化低浓度VOCs中应用。此外，还进一步深入探究分子筛负载型催化剂构效关系。以苯为模型污染物，考察制备催化剂常温下臭氧催化氧化活性，采用BET、SEM、XRD、XPS等多种手段表征分析催化剂结构、性能，建立构效关系，明确重要结构参数，掌握调控催化活性方法，揭示催化剂作用机制；运用GC-MS、TGA等手段对催化失活机制进行探究，提出抑制催化剂失活措施。.研究发现：（1）载体种类及改性对催化剂性能有关键影响，通过过氧乙酸改性煤质活性炭，载体比表面积提高1.6倍，制备出新型SiO2镀膜包裹改性载体及复合催化材料，活性组分高度分散；（2）过渡金属氧化物催化剂中，MnO2具有最高催化氧化和臭氧分解能力。活性炭和分子筛载体负载催化剂的苯催化氧化性能均与其臭氧分解能力正相关；不同类型活性炭载体由于结构特性和臭氧利用率性能的不同，导致其催化性能的差异较大，其中煤质活性炭负载催化剂性能最好；（3）在常温及低湿度条件下，6%MnO2/AC@SiO2和6%MnO2/ZSM-5催化剂臭氧催化氧化苯去除率和臭氧降解率高达100%。（4）良好臭氧催化性能是较强的苯吸附性能、高比表面积、适宜的孔道结构、均一规整的晶型特征、高硅铝比等因数综合作用结果；（5）湿度对催化性能有重要影响，水蒸气起双重作用，在高湿度条件下，催化剂易因水发生可逆性中毒而失活，通过加热去除水分可恢复催化活性；通过表征手段发现，失活主要是由于吸附水堵塞了催化活性位，与反应物竞争性吸附造成的。（6） 降低湿度或适当提高反应温度能够提高催化性能。在高湿度条件下温度提高到35-50℃或者常温低湿度条件下，苯能够100%去除，无残余臭氧，且矿化率在90%以上。.该研究解决臭氧催化氧化VOCs工艺的关键科学和技术问题，为实现其应用提供理论依据和技术指导；开发出多种新型多功能复合催化材料，为治理低浓度有机废气及改善空气质量，提供切实可行的技术支撑。