催化劑在環(huán)境保護中的重要應用

1、催化劑在環(huán)境保護中的重要應用環(huán)境問題是人類不能回避的現(xiàn)實問題，如何消除、減輕或根除由于人類的生產(chǎn)活動而產(chǎn)生的一系列有害污染物質(zhì)，是人類面臨的一個重要課題。目前迫切希望解決的問題有：溫室效應、臭氧層破壞、酸雨范圍的擴大化、重金屬等環(huán)境污染物質(zhì)的排放、熱帶雨林的減少和土壤沙漠化等。其中前三個問題是由排放到大氣中的化學物質(zhì)引起的。例如：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和亞氧化氮（N2O）都與溫室效應有關，氟利昂及 N2O 破壞臭氧層，二氧化硫（SO2）和 NOX是形成酸雨和光化學煙霧的主要因素，除掉或減少這些污染物質(zhì)主要是通過化學方法來解決，以環(huán)境保護為目的的催化化學在解決此類問題中起著核心作用。

2、環(huán)保催化是指利用催化劑控制環(huán)境不能接受的化合物排放的化學過程，創(chuàng)造舒適環(huán)境所用的催化劑。除去SO2用的環(huán)保催化劑SO2幾乎全部由煤和石油燃燒時產(chǎn)生。利用催化劑可以在重油使用前先回收30%90%的硫，使用的催化劑主要是以 AI2O3為載體的 Co（Ni）-Mo 系列元素；由燃燒排出的硫，傳統(tǒng)的除去方法大都采用石灰石泥漿吸收法及其他一些修正方法將硫轉(zhuǎn)化成石膏，但費用較高，這是一般經(jīng)濟實力不強的國家負擔不起的，因此，有人提出了以 V2O5為催化劑，將 SO2氧化制成硫酸，或者以 CeO2/nMgO.MgAl2O3為催化劑先將SO2氧化成SO3,再和固相MgO反應生成MgSO4,以控制SOX的排放量，

3、最后再將其還原回收 H2S。由于將 H2s 轉(zhuǎn)化為工業(yè)上有用的硫磺，在工藝上比較麻煩，為此近年來，有人又提出了用鈣鈦礦型稀土復合氧化物和螢石型復（混）合氧化物作催化劑，將 SO2直接還原成工業(yè)上有用的單質(zhì)硫的方法，其中鈣鈦礦型稀土類催化劑主要集中在錮系上，如 LaTiO3、LaCoO3、La1-xSrxCoO3（X=0.3,0.6,0.7）、La2O2S 以及 La2O3的水解產(chǎn)物如 LaOOH 等；螢石型復（混）合氧化物作催化劑主要有 CeO2、Cu2Ce2O 的復（混）合氧化物，CdZr2O7、Tb2Zr2O7、GeZr2O7等。所用的還原劑主要集中在 CO、CH4和 H2上。另外，還有人

4、以焦炭為催化劑，采用炭還原的方法；以 NiO/MgO 為催化劑，以氨為還原劑 FeO/rAl2O3為催化劑，CO 為還原劑等，將 SO2還原為單質(zhì)硫，SO2的轉(zhuǎn)化率均在 80%以上，所以，這種催化還原法可以從根本上控制 SO2所帶來的污染。除去NOX用的環(huán)保催化劑脫 NOX是環(huán)境保護中防止形成酸雨的最重要的問題， 也是環(huán)保催化劑研究中最活躍的課題。大部分是高溫燃燒時空氣中 N2和 O2產(chǎn)生的，采取控制的措施有兩點：一是燃燒方法的改進；二是對產(chǎn)生的 NOX作后處理。后處理的方法是催化還原法，即在固體催化劑存在下，利用各種還原性氣體（H2、CO、燒類和NH3等），以至碳和 NOX反應使之轉(zhuǎn)化為 N

5、2氣的方法。工業(yè)排放尾氣的脫 NOX所用催化劑為 V2O5TiO2,這種催化劑既可用在燃燒時產(chǎn)生的尾氣，又可用在重油燃燒時產(chǎn)生的尾氣。美國和德國最近開發(fā)的一種價廉的分子篩催化劑，這種分子篩催化劑可用于已經(jīng)脫 SOX的尾氣，但這種催化方法用的 NH3價格相當貴，而且在未完全反應的情況下，NH3也是一種危險品，且車載很困難。為了取代NH3,日本開發(fā)了一種以 Cu 離子交換的分子篩為催化劑，碳氫化合物(HC)為還原劑，將 NOX分解為 N2。除了上述催化還原法外，NOX還可通過催化劑直接分解為 N2+02,這被認為是最簡單最徹底且最經(jīng)濟的去除 NOX的方法。許多研究者一直在尋找適合該方法的催化劑，但

6、由于排放氣體中的氧都能使催化劑中毒，因此，目前還未找到其實用的催化劑，這類催化劑主要有貴金屬 Pt 等，鈣鈦礦型稀土復合氧化物，以及經(jīng) Cu 離子交換的分子篩(Cu-ZSM-5)催化劑，其中經(jīng) Cu 離子交換的分子篩有應用前景。在 S02和 NOX同時存在的情況下，有人提出了幾種利用催化劑一步脫 S02和 NOX的工藝，即活性炭法，這時活性炭被同時用做反應物和催化劑，這種方法的缺點是生產(chǎn)能力低；另一種方法是 NOXSO 法，這時用浸漬的 N 宓 C03為催化劑，此方法設計回路復雜，溫度變化大且操作不方便；第三種方法是將浸漬 6.5wt%Cu0 的Y-AI2O3,同時作為 S02的吸附劑和氧化劑

7、，以 NH3還原 NOX的催化劑。除去CO2用的環(huán)保催化劑由于 C02問題和能源問題等價，所以在除去 C02的過程中，若能實現(xiàn) C02的人工再循環(huán)、再資源化，不僅能解決地球的溫室效應問題，還能更有效地利用和節(jié)約能源。從催化化學的觀點，對減少 C02的方案有多種多樣，如氫化、光還原、 作為碳資源利用等， 但不管利用何種方法， 都要借助催化劑， 例如， 用 Ni-La203-Ru催化劑，Cu-ZnPt、Pd 催化劑，或者是這些催化劑與分子篩組合成的催化劑等，在 H2存在下將 C02轉(zhuǎn)化為甲醇(CH30H),進一步轉(zhuǎn)化為 HC;通過有機金屬配合物催化劑的作用，可將 C02合成為尿素、芳姓羥酸等。目前

8、，C02的光催化固定是最吸引人的課題，這是對自然界綠色植物光合作用的人工模擬過程，所用的催化劑主要有 Ti02、Zn0 等金屬氧化物和 CdS、ZnS 等金屬硫化物半導體，還有 CdS-Ti02、CdS、ZnS 等復合半導體，金屬絡合物，如Rh(bpy)22+、Ni(cyclam)22+等，以及光電催化劑等。對于引起溫室效應的 CH4和 N20 氣體，有人提出用鐵離子交換分子篩催化劑，如用Fe-MFI,Co-MFI,Pd 與 NOX一起同時除掉，但 N20 與其他氮氧化物不同，要除去低濃度的 N20 并不容易。臭氧問題臭氧問題包含對流層中臭氧的積累和同溫層中臭氧層的破壞兩個問題。破壞高空臭氧層

9、以及牽涉到溫室效應的主要污染物是氯氟姓類化合物(CFCS、HFCS),其最徹底的解決辦法是，開發(fā)新的可以取代它們的化合物，制備這些化合物大都通過催化的途徑。目前使用的催化劑包括 Pd/C、金屬鹵化物、氧化銘及 AlF3等，在高溫下和 HF 進行氟化反應，可以產(chǎn)生 CFCS 取代的替代產(chǎn)物：HCF-123(CF3CHCl2)、HFC-134a(CF3CFH2)。不生產(chǎn)氟利昂，但若對廢棄的含氟利昂制品的處理不當，也可產(chǎn)生溫室效應問題，用 AlP04作催化劑，可以有效分解這些氟利昂。廢水處理活性污泥生物處理法為治理含有機物廢水的重要方法。用濕式空氣氧化法處理高C0D 值廢水時，銅離子常是有效的催化劑，可降低反應溫度和壓力。用臭氧處理有機物廢水時銅、鈕、鍥催化劑可加速反應?？捎闷貧夥ㄌ幚砗瑏嗚F離子廢水，使之氧化成三價鐵離子，以氫氧化鐵的形態(tài)除去。在過程中加入三價鐵鹽為催化劑可加速亞鐵離子的氧化。載銅的活性炭和離子交換樹脂合用，可處理含氟廢水。亞硝酸鹽與氟化物共存的廢水，可以活性炭為催化劑，在中性條件下催化氧化處理。催化劑在發(fā)展工業(yè)、農(nóng)業(yè)及提高人民生活等方面都起過巨大作用，有人預料,在本世紀中，催化劑在解決地球環(huán)境問題中也將起到同等重要的作用。日本催化工作者表示，催化研究將從“石油化工催化”進入以消滅有害物質(zhì)為目的的新的“環(huán)保催化”時期。因此，未來環(huán)保催化劑的發(fā)展方向主要