周永莉，張校申，楊家寬

(華中科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074)

揮發(fā)性有機(jī)物(Volatile Organic Compounds，VOCs)是指在常溫下飽和蒸氣壓大于70 Pa，常壓下沸點(diǎn)在260℃以下的有機(jī)化合物，包括烷烴、芳香烴、芳烴類、烯烴、醇類、醛類、酮類、鹵代烴等［1］。VOCs主要來自石油化工、制藥、印刷、噴漆、機(jī)動(dòng)車、制鞋等行業(yè)排放的廢氣。這類物質(zhì)易揮發(fā)、大多數(shù)有毒，并參與形成光化學(xué)煙霧和氣溶膠，給人類的健康及環(huán)境帶來嚴(yán)重危害［2］。

目前，國內(nèi)外VOCs污染控制方法主要有吸附法、吸收法、生物處理技術(shù)、膜分離技術(shù)、直接燃燒法、催化燃燒法等［3－4］。其中催化燃燒法是一種高效清潔燃燒技術(shù)，主要利用催化劑使有機(jī)廢氣在較低的溫度條件下充分燃燒。相對(duì)其他處理技術(shù)，催化燃燒具有顯著的優(yōu)點(diǎn):起燃溫度低，能耗少，處理效率高，無二次污染等，使之成為目前最有前景的 VOCs處理方法［5－8］。

1 實(shí)驗(yàn)原理

烴類化合物在一定溫度下可發(fā)生氧化反應(yīng)，生成無毒的二氧化碳和水。直接燃燒烴類化合物所需溫度較高并伴有火焰產(chǎn)生。若采用合宜的氧化型催化劑，則可使燃燒溫度降低，且燃燒時(shí)無火焰發(fā)生。

催化燃燒是典型的氣—固相催化反應(yīng)，其實(shí)質(zhì)是活性氧參與深度氧化作用［9］。在催化燃燒過程中，催化劑的作用是降低反應(yīng)的活化能，同時(shí)使反應(yīng)物分子富集于催化劑表面，以提高反應(yīng)速率。借助催化劑可使有機(jī)廢氣在較低的起燃溫度條件下發(fā)生無火焰燃燒，并氧化分解為CO2和H2O，同時(shí)放出大量熱，用化學(xué)式表示如下［10］:

催化反應(yīng)必須在一定溫度下才能發(fā)生，即只有溫度達(dá)到某一值時(shí)，催化反應(yīng)才能以明顯的速度進(jìn)行，這個(gè)溫度被稱為催化劑的起燃溫度。不同的催化劑要求的起燃溫度不同。起燃溫度的高低及苯系物轉(zhuǎn)化率的大小是評(píng)價(jià)催化劑的標(biāo)志。

2 儀器設(shè)備、試劑、實(shí)驗(yàn)裝置及流程

2.1 主要設(shè)備和儀器

氣相色譜儀，GC7890/FID上海天美儀器儀表公司;管式電阻爐，XMA－5001武漢實(shí)驗(yàn)電爐廠。

2.2 試劑

甲苯AR級(jí)(用于氣相色譜中配標(biāo)準(zhǔn)濃度氣);甲苯CP級(jí)(用于實(shí)驗(yàn)配氣);KMF－12型催化劑(杭州凱明公司)。

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置和流程

本實(shí)驗(yàn)流程共分三部分:配氣系統(tǒng)、催化反應(yīng)部分和檢測部分，如圖1所示。

圖1 催化燃燒實(shí)驗(yàn)流程圖

3 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

1)進(jìn)料:將KMF－12型催化劑裝入石英管，催化劑兩端用玻璃棉固定，然后將反應(yīng)管固定于加熱爐內(nèi)。

2)配氣:氮?dú)饨?jīng)鋼瓶減壓后，進(jìn)入裝有甲苯的溶劑發(fā)生器，將揮發(fā)的甲苯帶出，空氣泵送入空氣，經(jīng)流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入緩沖瓶，氣體混合，將甲苯氣體稀釋。配氣濃度可通過調(diào)節(jié)稀釋氣和含溶劑氣的流量來控制。

3)打開鋼瓶閥門，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計(jì)7的流量為0.40.7 L/min左右，轉(zhuǎn)子流量計(jì)9的流量為4.0 L/min左右。使其空速(空速為氣體總流量與催化劑體積之比，本實(shí)驗(yàn)中催化劑體積為40 mL)為7 000/h左右。

4)反應(yīng):配制成一定濃度的混合氣，經(jīng)緩沖瓶進(jìn)入催化反應(yīng)管;當(dāng)加熱爐經(jīng)電加熱升溫達(dá)一定溫度后，混合氣中的甲苯組分即可在催化劑上發(fā)生氧化反應(yīng)。電加熱爐的溫度由控溫儀控制，反應(yīng)區(qū)的溫度用電位差計(jì)測定。反應(yīng)前、后的氣體用針管取樣，注入氣相色譜儀，由此可測定反應(yīng)前、后氣體中甲苯的濃度。

5)打開電加熱爐控溫儀的開關(guān)，按指定程序升溫，待溫度穩(wěn)定在200℃后，開始測定反應(yīng)前后的組分濃度?？刂品磻?yīng)溫度在200℃～350℃范圍內(nèi)，每升高一次溫度，測定一次濃度值。

4 結(jié)果與討論

4.1 甲苯標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的繪制

本實(shí)驗(yàn)采用氣相色譜(氫火焰檢測器FID)測定甲苯的濃度，通過六通閥直接進(jìn)樣，進(jìn)樣量1mL;色譜柱:5PEG—6000填充柱(4 mm×2 m);柱溫:80℃;進(jìn)樣溫度:150℃;檢測器溫度:180℃。

在選定的色譜條件下，對(duì)自配的標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行測定，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖2。對(duì)所得出的標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行了線性回歸分析，并計(jì)算出回歸方程和線性相關(guān)系數(shù)(R2)。

圖2 甲苯氣體標(biāo)準(zhǔn)曲線

4.2 溫度變化對(duì)甲苯催化燃燒性能的影響

保持N2氣流量和空氣流量不變，在甲苯氣體進(jìn)口濃度為1 500 ppm左右，空速為7 050 h－1的條件下，調(diào)節(jié)控溫儀以改變反應(yīng)溫度，測定甲苯氣體去除率的變化。

在無催化劑和有催化劑的情況下分別做了一組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知 ，無催化劑存在時(shí)甲苯在低于300℃的條件下轉(zhuǎn)化率非常低，因此實(shí)際運(yùn)用中若不加入催化劑而采用熱破壞法是不可取的。KMF－12型催化劑對(duì)甲苯的催化燃燒有很好的活性。

圖3 不同溫度下甲苯轉(zhuǎn)化率曲線

通過自制的催化燃燒反應(yīng)裝置，考察了KMF－12型催化劑在不同溫度下對(duì)甲苯的去除情況。在甲苯氣體進(jìn)口濃度為1 500 ppm左右，空速為7 000 h－1的條件下，改變反應(yīng)溫度，測定甲苯氣體轉(zhuǎn)化率的變化。在反應(yīng)溫度為290℃左右時(shí)，甲苯的轉(zhuǎn)化率可達(dá)到85，隨著溫度增加，甲苯的轉(zhuǎn)化率迅速上升。當(dāng)溫度升到350℃時(shí)，轉(zhuǎn)化率已超過95。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了貴金屬催化劑具有很好的催化燃燒活性，且初始活性較好，起燃溫度低，完全燃燒溫度與起燃溫度相差很小，活性隨溫度上升很快?？傮w來說，在較寬的溫度范圍內(nèi)，KMF－12型催化劑對(duì)甲苯的轉(zhuǎn)化率均保持在一個(gè)很高的水平上，具有很好的催化燃燒性能。

5 結(jié)束語

VOCs引起的健康與環(huán)境問題已引起普遍關(guān)注，對(duì)VOCs的凈化處理已迫在眉睫。因而，作為一種處理VOCs的有效方法，催化燃燒技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。我校從2006年開始為環(huán)境工程專業(yè)本科生開設(shè)了催化燃燒實(shí)驗(yàn)，通過開展該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生掌握了催化燃燒法的實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)方法，加深了對(duì)環(huán)境領(lǐng)域前沿知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解，同時(shí)也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，取得了較好的教學(xué)效果。

［1］黎維彬，龔浩.催化燃燒去除VOCs污染物的最新進(jìn)展［J］.物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2010，26(4):885－894.

［2］ JONESA P.Indoo r air quality and health［J］.Atmospheric Environment，1999，33(28):4535 －4564.

［3］陶有勝.“三苯”廢氣治理技術(shù)［J］.環(huán)境保護(hù)，1999(8):20－21.

［4］李鵬，童志權(quán).“三苯系”VOCs催化燃燒催化劑的研究進(jìn)展［J］.工業(yè)催化，2006，14(8):1－6.

［5］張廣宏，季生福，萬會(huì)軍，等.銅錳基SBA—15催化劑的制備及其甲苯燃燒消除的催化性能［J］.北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，35(1):5－10.

［6］郭建光，李忠，奚紅霞，等.CeO2摻雜對(duì)CuO/沸石催化劑催化氧化VOCs活性的影響［J］.高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2005，19(6):776－780.

［7］曹利，凌海志，黃學(xué)敏，等.納米TiO2—Al2O3負(fù)載CuMnOx對(duì)甲苯的催化燃燒［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010，33(6):28－31.

［8］張紀(jì)領(lǐng)，尹燕華，張志梅，等.低溫催化燃燒VOCs銅錳混合型催化劑的研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30(6):251－255.

［9］杜娟，田成文，范慶偉.催化燃燒技術(shù)研究進(jìn)展及其應(yīng)用［J］.節(jié)能，2006(2):37－39.

［10］孟丹，祁永智，丁瑞新.有機(jī)廢氣的催化燃燒［J］.洛陽工學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，3(12):91－94.