催化燃烧甲苯反应中催化剂硫中毒过程及机理研究进展

挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,VOCs)排放量大,来源广泛且种类繁多。催化燃烧法作为最高效的治理技术之一,其技术核心“催化剂”备受关注。然而,当VOCs中含有微量或痕量的硫物种时,会使催化剂硫中毒,导致其活性和寿命大幅度降低。因此,如何提高催化剂的耐硫性,研究催化降解VOCs过程中的硫中毒过程及机理,对于开发性能优异的催化剂至关重要。用于VOCs催化降解的催化剂主要以γ-Al_(2)O_(3)、Beta分子筛和柱撑黏土为载体,以过渡金属氧化物及贵金属为反应活性中心。通过原位硫酸铵热分解法引入定量的硫物种,得到了一系列不同硫中毒程度的催化剂。利用甲苯催化燃烧作为探针反应,研究了硫中毒前后催化剂的孔结构、氧化性、酸性等变化。结合活性组分的永久性硫中毒,明确了催化剂结构与催化燃烧VOCs性能之间的构效关系,深入理解了硫中毒过程及机理。总结近年来本课题组在该领域的研究成果,为构筑高性能催化燃烧含硫VOCs催化剂的研发提供启发,为实现复杂反应体系的工业化应用提供理论和技术基础。

VOCs燃烧催化剂耐硫性新进展

挥发性有机化合物(VOCs)作为细颗粒物(PM_(2.5))、臭氧(O_(3))复合型污染物的重要前驱体,其治理工作已被列为国家“十三五”环保治理的重要任务之一;“十四五”进一步指出,要加强城市大气质量达标管理,推进PM_(2.5)和O_(3)协同控制,加快挥发性有机物排放综合整治。在各种VOCs处理技术中,催化燃烧处理VOCs效率高、无二次污染,是VOCs处理的最有效方法之一。但在实际应用过程中,煤化工(焦化)等工业源排放的有机废气中均存在含硫组分,会与催化剂作用导致催化剂硫中毒。因此,对催化剂进行调控设计,提高催化剂的耐硫性对VOCs治理具有重要意义。通过分析VOCs的催化燃烧机理,指出活性氧在催化燃烧VOCs过程中的重要作用;分析了催化剂的硫中毒机理,指出催化剂硫中毒的原因,根据催化燃烧和硫中毒机理归纳总结了提高催化剂耐硫性的途径;同时,给出了耐硫性催化剂的表征技术。最后,根据国内外研究现状和技术水平,指出目前耐硫催化剂合成中存在的困难和未来的研究重点。VOCs的催化燃烧有3种反应机理,活性氧类型与反应机理相关,而活性氧类型和浓度与催化剂的耐硫性密切相关,因此,确定催化反应机理,明析活性氧物种类型,提高催化剂的氧还原能力对提高催化剂的耐硫性至关重要。根据催化剂的硫中毒机理,硫化物与VOCs分子竞争吸附占据吸附活性位点,导致活性位点减少,催化剂失活;硫化物与催化剂组分发生化学反应生成硫酸盐,堵塞催化剂孔道,覆盖催化剂活性位,导致催化剂硫中毒。通过引入助剂可以调节催化剂的酸碱性,催化剂的弱酸性可以减弱对硫化物的吸附;通过引入助剂和添加可硫酸化载体可以减弱活性组分与硫化物的作用,减弱活性组分的硫酸化;水和硫化物在催化燃烧体系中共存时,可阻碍硫酸根在催化剂表面的沉积,含有大量表面羟基的湿式硫酸盐催化剂具有更高的表面酸性,从而促进催化活性。通过提高催化剂的氧化还原性能、抑制对硫化物的吸附、减弱活性组分与硫化物的作用及调控气体组成4种手段可改善催化剂的耐硫性。

Sulfur poisoning mechanism of three way catalytic converter and its grey relational analysis

Combining a detailed catalytic surface reaction mechanism with noble metal and promoter elementary reactions, a new three-way catalytic converter(TWC) reaction mechanism is established. Based on the new mechanism, steady condition numerical simulation is carried out, and the change of light-off temperatures and conversion efficiency with various SO2 contents is obtained. By grey relational analysis(GRA), the relational grade between conversion efficiency and SO2 content is obtained. And, the result shows that SO2 content has the most important influence on C3H6 and NOX conversion efficiency. This provides an important reference to the improvement of activity design of TWC, and may provide guidance for the condition design and optimization of TWC.