催化燃烧法净化废气中苯系污染物教学实验研究

催化燃烧法净化废气中苯系污染物教学实验研究

周永莉　张校申　杨家宽

（华中科技大学环境科学与工程学院，湖北武汉430074）

摘　要：催化燃烧是目前最有效的处理挥发性有机物（VOCs）技术之一。本文介绍了催化燃烧法净化废气中苯系污染物的实验原理、实验装置及实验方法，并将这一新技术应用于本科生实验教学中，同时考察了催化剂在不同温度下对甲苯的去除情况。

关键词：催化燃烧　挥发性有机化合物　教学研究

1　引　言

挥发性有机物（volatile organic compounds，VOCs）是指在常温下饱和蒸气压大于70Pa，常压下沸点在260℃以下的有机化合物，包括烷烃、芳香烃、芳烃类、烯烃、醇类、醛类、酮类、卤代烃等。

VOCs主要来自石油化工、制药、印刷、喷漆、机动车、制鞋等行业排放的废气。这类物质的特点是易挥发，大多数有毒，并参与形成光化学烟雾和气溶胶，给人类的健康及环境带来严重危害。

国内外VOCs污染控制方法目前主要有吸附法、吸收法、生物处理技术、膜分离技术、直接燃烧法、催化燃烧法等，其中催化燃烧法是一种高效清洁燃烧技术，主要利用催化剂使有机废气在较低的温度条件下充分燃烧。相对其他处理技术，催化燃烧具有显著的优点：起燃温度低、能耗少、处理效率高、无二次污染等，使之成为目前最有前景的VOCs处理方法。

2　实验原理

烃类化合物在一定温度下可发生氧化反应，生成无毒的二氧化碳和水。直接燃烧烃类化合物所需温度较高，并伴有火焰产生。若采用合宜的氧化型催化剂，则可使燃烧温度降低，而且燃烧时无火焰发生。

催化燃烧是典型的气-固相催化反应，其实质是活性氧参与深度氧化作用。在催化燃烧过程中，催化剂的作用是降低反应的活化能，同时使反应物分子富集于催化剂表面，以提高反应速率。借助催化剂可使有机废气在较低的起燃温度条件下发生无火焰燃烧，并氧化分解为CO₂和H₂O，同时放出大量热，用化学式表示如下。

催化反应必须在一定温度下才能发生，即只有温度达到某一值时，催化反应才能以明显的速度进行，这个温度称催化剂的起燃温度。不同的催化剂要求的起燃温度不同。起燃温度的高低及苯系物转化率的大小是评价催化剂的标志。

3　仪器设备、试剂、实验装置及流程

1.主要设备和仪器

气相色谱仪　GC7890/FID上海天美仪器仪表公司

管式电阻炉　XMA-5001武汉实验电炉厂

2.试剂

（1）甲苯AR级，用于气相色谱中配标准浓度气。

（2）甲苯CP级，用于实验配气。

（3）KMF-12型催化剂（杭州凯明公司）。

3.实验装置和流程

本实验流程共分三部分：配气系统、催化反应部分和检测部分，如图1所示。

图1　催化燃烧实验流程图

4　实验方法和步骤

（1）进料：将KMF-12型催化剂装入石英管，催化剂两端用玻璃棉固定，然后将反应管固定于加热炉内。

（2）配气：氮气经钢瓶减压后，进入装有甲苯的溶剂发生器，将挥发的甲苯带出，空气泵送入空气，经流量计计量后进入缓冲瓶，气体混合，将甲苯气体稀释。配气浓度可通过调节稀释气和含溶剂气的流量来控制。

（3）打开钢瓶阀门，调节转子流量计7的流量为0.4～0.7L/min，转子流量计9的流量为4.0L/min左右。使其空速（空速为气体总流量与催化剂体积之比，本实验中催化剂体积为40mL）为7 000L/h左右。

（4）反应：配制成一定浓度的混合气，经缓冲瓶进入催化反应管；当加热炉经电加热升温达一定温度后，混合气中的甲苯组分即可在催化剂上发生氧化反应。电加热炉的温度由控温仪控制，反应区的温度用电位差计测定。反应前、后的气体用针管取样，注入气相色谱仪，由此可测定反应前、后气体中甲苯的浓度。

（5）打开电加热炉控温仪的开关，按指定程序升温，待温度稳定在200℃后，开始测定反应前后的组分浓度。控制反应温度在200～350℃范围内，每升高一次温度，测定一次浓度值。

5结果与讨论

5.1　甲苯标准工作曲线的绘制

本实验采用气相色谱（氢火焰检测器FID）测定甲苯的浓度，通过六通阀直接进样，进样量1mL，色谱柱5%PEG—6000填充柱（4mm×2m），柱温80℃，进样温度150℃，检测器温度180℃。

在选定的色谱条件下，对自配的标准气体进行测定，绘制标准曲线见图2。对所得出的标准曲线进行了线性回归分析，并计算出回归方程和线性相关系数（R²）。

图2　甲苯气体标准曲线

5.2　温度变化对甲苯催化燃烧性能的影响

保持N₂气流量和空气流量不变，在甲苯气体进口浓度为1 500×10^-6左右，空速为7 050h^-1的条件下，调节控温仪以改变反应温度，测定甲苯气体去除率的变化。

在无催化剂和有催化剂的情况下分别做了一组实验，实验结果如图3所示。

图3　不同温度下甲苯转化率曲线

由图3可知，无催化剂存在时甲苯在低于300℃的条件下转化率非常低，因此实际运用中若不加入催化剂而采用热破坏法是不可取的。KMF-12型催化剂对甲苯的催化燃烧有很好的活性。它的起燃温度较低，在反应温度为290℃左右时，甲苯的转化率可达到85%，对此做出的解释是催化剂有较好的吸附作用，同时，较低的空速也保证了气体在反应装置中有一定的停留时间。随着温度的升高，甲苯的转化率随之升高。当温度升到350℃时，转化率已超过96%。

通过自制的催化燃烧反应装置，考察了KMF-12型催化剂在不同温度下对甲苯的去除情况。在甲苯气体进口浓度为1 500×10^-6左右，空速为7 000h-1的条件下，改变反应温度，测定甲苯气体转化率的变化。在反应温度为290℃左右时，甲苯的转化率可达到85%，随着温度增加，甲苯的转化率迅速上升。当温度升到350℃时，转化率已超过95%。实验证实了贵金属催化剂具有很好的催化燃烧活性，且初始活性较好，起燃温度低，完全燃烧温度与起燃温度相差很小，活性随温度上升很快。从总体来说，在较宽的温度范围内，KMF-12型催化剂对甲苯的转化率均保持在一个很高的水平上，具有很好的催化燃烧性能。

6　结束语

VOCs引起的健康与环境问题已引起普遍关注，对VOCs的净化处理已迫在眉睫。因而，作为一种处理VOCs的有效方法，催化燃烧技术具有广阔的应用前景。华中科技大学从2006年开始为环境工程专业本科生开设了催化燃烧实验，通过开展该实验，学生掌握了催化燃烧法的实验原理及实验方法，加深了对环境领域前沿知识的认识和理解，同时也激发了学生的学习兴趣，培养了学生的动手能力，取得了较好的教学效果。

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