臭氧耦合催化低温降解固废焚烧烟气中氯苯的机理研究

The flue gas treatment of solid waste incineration is still facing the challenge of organic pollutant emissions. Especially, Cl-VOCs are important precursors of dioxin and its removal is more difficult. Several typical characters of solid waste incineration flue gas, including low initial concentration of Cl-VOCs emission, flexible conditions, complex kinds of pollutants with NOx, SO2, dust, et al., and high flow rate of flue gas, result in unavailable application of conventional catalytic oxidation technology. Thus, it is urgent to develop efficient Cl-VOCs removal technology that is available for the solid waste incineration flue gas. This project plans to select chlorobenzene as the model object of Cl-VOCs and utilize ozone-assisted catalytic method to investigate chlorobenzene removal activity, which is based on our research foundation of pollutants removal with ozone oxidation technology. The catalysts surface properties will be adjusted by supports modification and metal doping method. A series of catalysts with high efficiency at low temperature, high stability, and high selectivity will be developed. Finally, the correlation mechanism between chlorobenzene oxidation activity and catalyst surface properties should be explored; The catalytic reaction mechanism and pathway of chlorobenzene ozonation will be established through investigating the changes of catalyst surface properties induced by ozone, dynamics analysis, and infrared spectroscopy diagnostic method; The effect of NOx introduction to catalytic ozonation of chlorobenzene will be studied by using concentration gradient and oxidation grading method. Subsequently, the simultaneous oxidation mechanism between chlorobenzene and NOx, and the competitive-synergistical mechanism between complex components in the flue gas will be illuminated. Above all, this project will establish a theoretical foundation for the simultaneous oxidation of chlorobenzene and NOx in the solid waste incineration flue gas.

固废焚烧烟气治理仍然面临有机污染物排放的挑战，尤其氯代有机污染物Cl-VOCs作为二噁英的重要前驱体之一，治理难度更大。固废焚烧烟气Cl-VOCs排放初始浓度低、工况多变、氮硫粉尘污染物种类繁杂、烟气量大，传统催化氧化脱除技术难以直接应用，亟需开发适用于固废焚烧烟气Cl-VOCs的高效脱除技术。本项目选取氯苯作为研究对象，结合申请人团队臭氧氧化污染物脱除基础，耦合催化氧化技术，利用载体和金属掺杂等手段进行催化剂表面特性调控，开发低温、高效、稳定、彻底降解氯苯的催化剂，建立氯苯氧化反应活性与表面特性关联机制；利用动力学分析和红外光谱测试等手段，结合臭氧诱导催化剂表面特性变化，建立臭氧氧化氯苯催化反应机理及路径；采用浓度梯度和氧化分级测试探究NOx对氯苯催化氧化过程的影响，阐明氯苯和NOx共同氧化机理及复杂烟气组分的竞争协同机制，为固废焚烧烟气臭氧协同氧化氯苯/NOx这一技术路线奠定理论基础。

本项目针对目前氯苯等Cl-VOCs脱除氧化降解温度高、选择性和稳定性偏差，导致能耗成本高、稳定脱除效果差，难以应用于固废焚烧烟气的现状，采用臭氧耦合催化这一技术路线，选取氯苯CB作为研究对象，开发低温、高效、稳定、彻底降解Cl-VOCs催化剂，明确催化剂表面特性与氧化活性关联机制，为高活性、高选择性和高稳定性催化剂设计优化奠定基础；研究臭氧引入后催化剂表面特性变化，结合动力学分析，揭示臭氧催化氧化氯苯反应机理及路径；阐明氯苯/NOx共同氧化反应机理及复杂烟气组分竞争协同机制，为固废焚烧烟气臭氧协同氧化氯苯/NOx这一技术路线提供理论依据。具体结果如下：1、撰写催化氧化Cl-VOCs 系列文献综述，从催化氧化活性、副产物生成、复杂组分影响等多角度展开，形成了系统的理论支撑，为后续试验开展提供了理论依据；2、选取CB作为模型化合物，单一MnOx作为催化剂，全面对比研究催化氧气氧化和催化臭氧氧化对于CB的降解行为。研究发现催化臭氧氧化在低温的条件下（< 120 oC）具有极大的优势，可以实现对CB的高效、稳定的转化，并且对于烟气中的水具有极好的耐受能力，副产物生成量明显低于催化氧气氧化，充分证实了臭氧氧化在烟气中Cl-VOCs的高效彻底脱除的独特优势；3、调控催化剂载体（Al2O3、TiO2、SiO2、CeO2和ZrO2）改变催化剂表面特性，对比研究臭氧低温氧化CB性能，近一步研究了不同Cl-VOCs的臭氧催化降解难度和不同Cl-VOCs的共同臭氧氧化交互作用规律；4、考虑到工业实际，特别研究了SO2存在下臭氧催化氧化CB的活性，同时对比了催化氧气氧化对复杂烟气组分的耐受能力；5、重点考虑多种复杂组分存在条件下CB的臭氧氧化表现。研究发现催化臭氧共同氧化CB和NOx对两种污染物都有良好的去除效率，同时整体的矿化率得到了显著的提升。此外，H2O、SO2和其他VOCs的引入对于CB单独氧化和CB/NOx共同氧化表现出微弱的影响，依然可以实现污染物的高效转化，这为臭氧催化氧化协同去除固废焚烧烟气中Cl-VOCs这一技术路线的实际应用提供了重要的实验依据。