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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

VOCs和NO_x协同消除催化剂的研究进展

2024-05-24


创新点  


挥发性有机物(VOCs和氮氧化物NOx是PM2.5和臭氧O3的重要前体物,对环境和人类健康造成严重威胁。协同催化技术可以实现VOCs和NOx的同步消除,是解决目前环境PM2.5和O3问题的重要手段。不同类型催化剂在复杂烟气环境中体现出各自的优势和不足,通过调节催化剂的酸性和氧化还原性,可以使催化剂在SCR的反应温窗内实现VOCs的深度氧化,进而促进VOCs和NOx的高效协同消除。本文简述了VOCs和NOx协同消除的反应机理,总结了不同类型催化剂在VOCs和NOx协同消除中的最新进展,探讨了不同催化剂(V基、Mn基、分子筛)的优点和不足,并对未来高效协同消除VOCs和NOx催化剂所面临的问题和挑战进行了展望。


通讯作者简介  


邓积光   教授

邓积光,北京工业大学材料科学与工程学院教授,兼职担任中国环境科学学会环境化学分会委员、VOCs污染防治专委会常委,中国环保产业协会废气净化委员会技术专家等。主要从事VOCs污染控制和资源化利用以及环境催化化学方面的研究。曾获2012年全国优秀博士学位论文、2017年中国催化新秀奖、2019年度中国环境科学学会VOCs污染防治专委会青年学术创新奖等荣誉。


隗陆   副教授

隗陆,北京工业大学副教授。主要从事新型催化剂设计在环境化学催化应用方面的研究工作。研究方向为量化计算、第一性原理计算,分子动力学模拟以及原位光谱实验在非均相催化研究。主持国家自然科学基金青年基金和博士后面上基金项目。发表SCI论文25篇,其中以第一作者身份发表SCI论文9篇,通讯作者1篇,包括Journal of the American Chemical SocietyAdvanced Functional MaterialsApplied Catalysis B: EnvironmentalJournal of Hazardous Materials等知名期刊。博士学位论文获中国硅酸盐学会优秀博士论文提名奖。

VOCs和NOx协同消除催化剂的研究进展


作者

王卓,楚培齐,隗陆*,刘雨溪,戴洪兴,邓积光*

单位

北京工业大学 材料科学与工程学院


基金项目

1. 国家重点研发计划资助项目(2023YFB3810801)

2. 国家自然科学基金联合基金资助项目(U23A20120)

3. 北京市教育委员会科技计划重点项目(KZ202210005011)

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    摘要    

挥发性有机化合物VOCs和氮氧化物NOx是细颗粒物PM2.5和臭氧的重要前驱体,对环境和人类健康造成严重威胁。采用催化技术协同消除VOCs和NOx被认为是一项极具应用潜力的多污染物治理策略,有望实现PM2.5和臭氧的协同减排。近年来,研究人员对协同催化的催化剂进行了多方面的探索,对协同催化的反应机理也进行了深入研究。综述了目前有关VOCs和NOx协同消除催化剂的研究进展,从钒基催化剂、锰基催化剂和分子筛催化剂的角度,详细论述了不同类型催化剂在协同催化VOCs和NOx方面的最新研究成果。讨论了催化剂的结构和理化性质对催化性能及反应途径的影响。分析了协同催化的反应机理以及各组分对催化反应的影响,深入探讨了VOCs和NOx协同催化在实际应用中可能存在的问题和不足,对未来多污染协同催化剂的开发提供了建议。

 研究背景 

挥发性有机物(VOCs)和氮氧化物(NOx)是细颗粒物(PM2.5)和臭氧的重要前驱体,大气中的VOCs和NOx在太阳光的作用下会发生光化学反应形成光化学烟雾和臭氧,对环境和人类健康产生严重威胁。为了保护生态环境和人类的健康,必须降低空气中PM2.5和臭氧含量。实现PM2.5与臭氧协同控制核心是VOCs和NOx的协同减排。2023年最新发布的《空气质量持续改善行动计划》提出要以降低PM2.5浓度为主线,大力推动NOx和VOCs协同减排。目前工业端针对协同减排采用的方法主要包括源头管控和末端治理两种。源头管控旨在从生产过程的起点预防和控制污染物的产生,在易导致污染的化学品进入工艺流程之前进行干预,减少后期治理的成本和复杂性,有助于提高资源利用率。然而,实施源头管控需要开发更先进的技术和设备,从原材料选择到生产工艺都需要调整,这对企业的资金成本和技术要求较高。在完成技术迭代实现绿色生产之前,末端治理是解决现有污染问题的常规方法,可以有效减少生产过程中已经产生的污染物,减少环境压力。目前NOx的消除技术主要是选择性催化还原(SCR)。通常采用氨气作为还原剂,在催化剂的作用下在一定的温度区间内将NOx选择性还原为N2,有效降低各类烟气中的NOx浓度。VOCs的治理技术一般是热焚烧或者催化氧化技术,其中后者可以在较低温度实现VOCs的高效转化,将其转化为无害的CO2和H2O。相较于热焚烧技术,催化氧化技术具有高效、节能、无二次污染的特点,逐渐成为一种主流的VOCs消除技术。通过文献调研发现VOCs的催化氧化和NOx的SCR具有关联性,许多催化剂对这两种反应都具有催化活性,两种催化反应的进行也主要依赖于催化剂的酸性和氧化还原性能,这种相似性为同步去除VOCs和NOx提供了可能

 部分图片 

图1  SCR机理和MvK机理示意图[12]

图2  VOCs和NOx协同催化机理[23]

图3  不同烟气组分对甲苯催化氧化的影响[21]


引文格式


王卓, 楚培齐, 隗陆, 刘雨溪, 戴洪兴, 邓积光. VOCs和NOx协同消除催化剂的研究进展[J/OL]. 能源环境保护: 1-13[2024-05-21]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240506.
WANG Zhuo, CHU Peiqi, WEl Lu, LIU Yuxi, DAl Hongxing, DENG Jiguang. Advances in catalysts for synergistic elimination of VOCs and NOx[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-13[2024-05-21]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240506.

  责任编辑:宫在芹
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毕业于黑龙江科技学院,采矿工程、工商管理双学士学位,采矿工程高级...

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