甲醛催化氧化

建筑和裝飾材料中緩慢釋放的甲醛是一種主要的室內(nèi)空氣污染物，長期暴露在較低濃度的甲醛環(huán)境里會嚴(yán)重危害人類的身體健康。甲醛具有高毒性，嚴(yán)重危害人類身體健康，暴露在甲醛污染的環(huán)境下，短期內(nèi)會出現(xiàn)眼睛刺痛、鼻刺痛、咽喉痛。催化氧化法是一種非常有效的消除甲醛技術(shù)，能在較為溫和的條件下將甲醛完全轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水。負(fù)載型鉑催化劑對甲醛催化氧化反應(yīng)表現(xiàn)出較為優(yōu)異的催化性能，受到廣泛研究和關(guān)注。本文綜述了近年來該類催化劑的研究進(jìn)展，主要探討了制備方法、載體種類和形貌、添加助劑及反應(yīng)條件參數(shù)等因素對負(fù)載型鉑催化劑上甲醛催化氧化性能的影響；并歸納了一部分甲醛催化氧化的反應(yīng)機(jī)理。分析認(rèn)為：負(fù)載型鉑催化劑在低溫條件下具有很強(qiáng)的活化分子氧的能力，從而使其對甲醛低溫催化氧化反應(yīng)表現(xiàn)出很高的催化活性。另外還對負(fù)載型鉑催化劑未來的研究發(fā)展方向進(jìn)行了展望：應(yīng)通過優(yōu)化和改進(jìn)催化劑制備方法和策略，提高鉑原子的利用率，產(chǎn)生更多的表面/界面活性中心，繼而進(jìn)一步提高催化劑的性能；借助一些先進(jìn)的表征技術(shù)如氧同位素示蹤技術(shù)和理論計算的方法深入研究甲醛催化氧化反應(yīng)機(jī)理等基礎(chǔ)問題。

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甲醛污染治理

甲醛是一種重要的經(jīng)濟(jì)化學(xué)品，同時也被世界衛(wèi)生組織認(rèn)定為嚴(yán)重的環(huán)境污染物，是導(dǎo)致人類罹患az和畸變等嚴(yán)病的罪魁禍?zhǔn)字籟1-3]。在投資和運(yùn)行費(fèi)用上比通常以除去有機(jī)污染物為主的二級生物污水處理系統(tǒng)降低30%左右，是適合我國現(xiàn)階段污水處理要求的工藝技術(shù)。在過去的 20 年里，中國的甲醛工業(yè)得到了發(fā)展，生產(chǎn)量和消耗量占全球甲醛總量的三分之一，是世界上z大的甲醛生產(chǎn)者和消費(fèi)者，其中超過 65%的甲醛產(chǎn)量用來生產(chǎn)膠合板、纖維板等木材家具制品所用的樹脂——是室內(nèi)空氣甲醛污染的主要來源[4]。甲醛具有高毒性，嚴(yán)重危害人類身體健康，暴露在甲醛污染的環(huán)境下，短期內(nèi)會出現(xiàn)眼睛刺痛、鼻刺痛、咽喉痛；長期會引起慢性、損害神經(jīng)系統(tǒng)、引起染色體突變、a變等問題[5-7]。當(dāng)前，人們大部分時間都是在室內(nèi)度過的，室內(nèi)空氣質(zhì)量已經(jīng)引起了人們廣泛的關(guān)注。針對室內(nèi)空氣污染物甲醛，世界衛(wèi)生組織頒布了室內(nèi)甲醛的限定濃度為0.1mg/m3，一些國家，例如日本和英國，非職業(yè)性室內(nèi)甲醛濃度限定為 0.1mg/m3，加拿大、德國和新加坡的甲醛濃度限定為 0.123mg/m3，我國也發(fā)布了室內(nèi)甲醛的限定濃度標(biāo)準(zhǔn)[4]，見表 1。因此，當(dāng)前亟待解決的問題就是消除室內(nèi)空氣中的甲醛，滿足嚴(yán)格的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和人類健康的需要。

近年來，由裝修導(dǎo)致的室內(nèi)甲醛濃度超標(biāo)嚴(yán)重危害人體健康的事件頻頻被報道，越來越多的學(xué)者致力于解決甲醛污染治理問題并做了大量的研究。用水/氣換熱器回收的熱量，多是以熱水形式貯存，可用于印染行業(yè)中的煮煉工藝。目前，國內(nèi)外一些空氣凈化技術(shù)，如吸附法[8]、光催化氧化法[9]、熱催化氧化法[10-12]、等離子氧化法[13]

負(fù)載型鉑催化劑應(yīng)用

傳統(tǒng)的吸附法雖然能夠消除甲醛，但是受到吸附劑的吸附容量、失活和再生更換等問題限制；光催化法和等離子體技術(shù)能有效凈化室內(nèi)甲醛，但需要光源和額外的設(shè)備，并且在凈化甲醛過程中還易產(chǎn)生有毒的副產(chǎn)物；生物降解法對甲醛消除是一個環(huán)境友好的方法，但是降解速率較低，微生物的生命周期一直是一個問題。4、毒性氣體的處理：（1）處理毒性氣體時，工作人員必須戴防毒面具、手套等勞保護(hù)具與處理工作無關(guān)的人員，禁止進(jìn)入毒氣處理區(qū)。熱催化氧化法在室溫下就可以將甲醛氧化生成二氧化碳和水，并且反應(yīng)過程中節(jié)省能源、操作簡單、環(huán)境友好，其g效的甲醛消除能力成為廣受矚目的研究熱點。當(dāng)前廣泛應(yīng)用于該方法的催化材料主要分為：非催化劑（Co3O4[15]、MnOx[16]、CeO2[17]）和催

化劑（ Au/CeO2[18] 、 Pt/Fe2O3[19] 、 Pd/TiO2[20] 、Ag/MnO2[21]）兩類。，可使部分有機(jī)化合物從氣態(tài)分子冷凝、集聚成為液態(tài)顆粒，有助于提高后續(xù)凈化單元的效率。其中，負(fù)載型鉑催化劑性能優(yōu)異，例如，Pt/TiO2[22]、Pt/SiO2[23]、Pt/AlOOH[24]、Pt/NiO[25]等（表 2）在室溫下就可將甲醛全部分解，被認(rèn)為是一種具有廣闊應(yīng)用前景的甲醛消除技術(shù)。近年來該技術(shù)受到人們廣泛的關(guān)注，獲得了較大進(jìn)展。負(fù)載型鉑催化劑應(yīng)用在甲醛催化氧化反應(yīng)中影響催化性能的因素、催化反應(yīng)機(jī)理及發(fā)展趨勢。

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?工業(yè)廢氣處理設(shè)備工藝分析及確定

（1）根據(jù)本工程污水的水量和水質(zhì)，采用成熟可靠的多級g效物化處理工藝。我國定型機(jī)煙氣治理工作，已經(jīng)歷以機(jī)械除塵為主的“簡單治理”和以濕式洗滌為主的“達(dá)標(biāo)治理”兩個階段。 （2）首先通過均質(zhì)過程，使廢水水質(zhì)、水量穩(wěn)定，減輕后續(xù)處理工藝的沖擊負(fù)荷。 （3）綜合考慮業(yè)主方的投資成本。 國內(nèi)外現(xiàn)有污染氣體的主要處理技術(shù)有：熱氧化法、物理化學(xué)法、低溫等離子法、植物提取液法、生物氧化法等

根據(jù)進(jìn)出水水量水質(zhì)情況，污水處理工藝的選擇必須依照如下思路：

（1）根據(jù)本工程污水的水量和水質(zhì)，采用成熟可靠的多級g效物化處理工藝。

（2）首先通過均質(zhì)過程，使廢水水質(zhì)、水量穩(wěn)定，減輕后續(xù)處理工藝的沖擊負(fù)荷。

（3）綜合考慮業(yè)主方的投資成本。

處理工藝的選擇

國內(nèi)外現(xiàn)有污染氣體的主要處理技術(shù)有：熱氧化法、物理化學(xué)法、低溫等離子法、植物提取液法、生物氧化法等

表4-1 各種治理技術(shù)對比表

治理

技術(shù)

主要機(jī)理

優(yōu)點

缺點

活性炭吸附法

利用活性炭吸附污染氣體中致臭物質(zhì)，污染氣體通過活性炭層，污染物質(zhì)被吸附，潔凈氣體排出吸附塔

去除，適合高凈化要求的氣體

活性炭吸附到一定量時會達(dá)到飽和，就必須再生或更換活性炭，因此運(yùn)行成本較高。這種方法常用于低濃度臭氣和脫臭的后處理。產(chǎn)生二次污染。

化學(xué)反應(yīng)法

利用臭氣中的某些物質(zhì)和藥液產(chǎn)生中和反應(yīng)的特性，去除氣體中污染成分。常見的有酸堿洗滌法，加氯洗滌法，過氧化q洗滌法

可以廣泛地出去多種惡臭氣體，并達(dá)到很高的去除效率；具有較強(qiáng)的操作彈性

必須配備較多的附屬設(shè)施，運(yùn)行管理較為復(fù)雜，運(yùn)行費(fèi)用較高，與藥液不反應(yīng)的臭氣較難去除，效率低。會引起二次污染

熱氧化法

催化氧化法

在催化劑的作用下，使有機(jī)廢氣中的碳?xì)浠衔镌谳^低溫度下迅速氧化成為氧化碳和水，從而達(dá)到凈化目的

低溫操作（288-350℃），高去除率

運(yùn)行費(fèi)用較高，催化劑易，產(chǎn)生NOx的二次污染。高設(shè)備投資

直燃式氧化法

用直接燃燒的方式來去除有機(jī)污染氣體

高去除率，可處理高濃度VOCs

高設(shè)備投資，運(yùn)行費(fèi)用高，產(chǎn)生較多NOx的二次污染

蓄熱式氧化法

加熱蓄熱陶瓷，讓有機(jī)氣體通過蓄熱燃燒室進(jìn)行燃燒，達(dá)到去除的目的

高去除效率，較之直燃式，運(yùn)行費(fèi)用低

高設(shè)備投資，處理可燃?xì)鉂舛刃∮?5%，產(chǎn)生NOx的二次污染，設(shè)備重量大，維護(hù)保養(yǎng)困難

土壤脫臭法

土壤脫臭機(jī)理主要可分為物理吸附和生物分解兩類，水溶性惡臭氣體（如胺類、l化氫、低級脂肪酸等）被土壤中的水分吸收去除，而非溶性臭氣則被土壤表面物理吸附繼而被土壤中微生物分解

維護(hù)費(fèi)用低，除臭效果與活性炭相當(dāng)

占地多，處理占地為2.5-3.3m2/m3氣體；不適于多暴雨多雪地區(qū)，對于高溫、高濕和含水塵等氣體必須進(jìn)行預(yù)處理

低溫等離子法

在外加電場的作用下，電極空間里的電子獲得能量后加速運(yùn)動，從而引發(fā)了使其發(fā)生激發(fā)、離解或電離等一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)，使得產(chǎn)生臭味的基團(tuán)化學(xué)鍵斷裂，再經(jīng)過多級凈化而達(dá)到除臭的目的

工藝簡潔，操作簡單，適應(yīng)氣體溫度寬（—50—50℃）

去除效率低，可處理的氣體種類較少

UV紫外線法

利用t制的高能高臭氧UV紫外線光束照射惡臭氣體，改變惡臭氣體的分子結(jié)構(gòu)，使有機(jī)或無機(jī)高分子惡臭化合物分子鏈在高能紫外線光束照射下，降解轉(zhuǎn)化成低分子化合物

占地面積小，運(yùn)行成本較低，設(shè)備投資較低

植物液噴灑技術(shù)

通過霧化植物的天然提取液，讓霧化后的液體與異味氣體結(jié)合，產(chǎn)生包覆、氧化、分解等一系列物理化學(xué)反應(yīng)，將異味氣體轉(zhuǎn)化成二氧化碳、水和無機(jī)鹽。達(dá)到除臭目的

設(shè)備投資較低，工藝簡單，易操控，去除效率較高

運(yùn)行費(fèi)用高，可處理q體種類較少

生物氧化法

利用微生物和污染氣體接觸，當(dāng)氣體經(jīng)過生物表面是被特定微生物捕獲并消化掉，從而使有毒有害污染物得到去除

工藝流程簡短、監(jiān)測控制集中、減除效果明顯、去除，運(yùn)行費(fèi)用低，占地面積小、不產(chǎn)生二次污染