環境保護催化劑詳解

用完全催化氧化的方法使可燃性污染物質轉化為二氧化碳和水的催化劑。廣泛用于治理工廠的排氣污染,主要是一氧化碳、烴類及其含氧衍生物,如醇、醛、酮、酯等引起的污染。次世界大戰時曾用CuO和MnO為催化劑,置于防毒面具中以凈化毒氣（一氧化碳等），在室溫下即有效。催化燃燒技術現在廣泛地用于排放有機溶劑廢氣的行業和排放可燃尾氣的化工廠。將直接燃燒和催化燃燒法比較，依據不同的污染物，起燃溫度（為保持反應正常進行所需的低溫度）分別為600～800℃和室溫至400℃,即用催化法治理污染的起燃溫度低，可節約能源。常用的催化劑是以鉑、鈀、氧化銅、氧化錳、氧化鈷、氧化鎳、氧化釩等為活性組分，以氧化鋁為載體。含貴金屬的催化劑極為活潑，在催化劑中的含量通常為0.3%～0.1%,它們甚至在低于100℃時可使烴類完全轉化,鉑轉化一氧化碳效率優于鈀,而對烴類的燃燒活性則反之以甲烷為例,催化燃燒活性順序為Pd>Pt>CoO>PdO>CrO>MnO>CuO>CeO>FeO>VO>NiO>MoO>TiO[kg2]非貴金屬氧化物催化劑價廉，但起燃溫度較高。近年來，在處理大氣量的催化燃燒爐中，多采用蜂窩狀造型的催化劑，后者為柱狀制件,沿柱體的軸向開有許多平行的孔道,形似蜂窩(圖1[催化燃燒爐用的蜂窩狀催化劑]) 。這種造型的催化劑對氣流的阻力比球狀催化劑小得多（見工業催化劑特性評定）。

消除氧化氮 (NO)污染的催化劑。氧化氮主要來自煤、重質油、汽油等的高溫燃燒（在高溫下氮和氧不可避免地會生成氧化氮）；有些化工廠，特別是硝酸工廠也排放含氧化氮的廢氣。可用催化還原法加以治理，即向廢氣中加入燃料氣，經催化劑的作用，氧化氮發生還原反應，轉變為氮。方法有兩類：①非選擇性還原，即燃料和廢氣中的氧化氮、氧同時被還原，并同時有生成氨的副反應。所用的燃料有氫、天然氣、合成氨弛放氣、催化裂化干氣、石腦油等，工業上常用的催化劑以鉑、鈀為催化活性組分，以氧化鋁為載體，載持量0.1%～1%,或采用多組分配方，如Pt(Pd、Rh)-(Ni)-SiO(AlO)起燃溫度因燃料而異,以鈀為例，用氫或一氧化碳約140℃，用甲烷時需450℃。此法因氧同時與燃料作用,造成高溫。貴金屬催化劑活性高,耐熱性亦較好,但易被硫中毒。非貴金屬催化劑有CuO-AlO、CuO-CrO-ALO和蒙乃爾合金（含Cu-Ni）等，但效率低于貴金屬催化劑。生成氨的活性為Pt>Pd>CuO>NiO。②選擇性還原，力求使燃料氣只與氧化氮反應而不與氧反應,通常以氨為燃料可作為活性組分的有鉑、鈀、釕及銅、鐵、鈷、鎳的氧化物等，其中鉑的活性高。金屬氧化物還原活性順序為CuO≈FeO≈VO>CrO>MoO>WO>ZnO≈CoO≈SnO≈TiO>NiO。

當氧化氮與二氧化硫同時存在時（如煤和重質油燃料的排氣），可用一氧化碳為還原劑,在氧化銅-氧化鋁催化劑作用下使氧化氮和二氧化硫分別變成氮和硫。除催化還原法外，人們還在探索借助于分解催化劑使氧化氮分解成氮和氧，借助于氧化催化劑使氧化氮氧化成二氧化氮并予以除去。

裝于汽車排氣口使有害物質轉化成無害物質的催化劑（圖2[ 裝有催化凈化裝置的汽車示意圖]）。1943年，美國洛杉磯發生光化學煙霧事件；1951年，查明該事件是由汽車排氣所造成，之后，開始了汽車排氣催化凈化技術的研究。20世紀70年代出現了可實用的催化劑，并發展為環境保護催化劑中產值大的品種。汽車排氣中含有殘余的燃料──烴類、一氧化碳、氧化氮及鉛化合物、硫化物等,主要是前三者1981～1984年美國的汽車排放標準規定：烴類、一氧化碳、氧化氮的排放量每公里分別為 0.26、2、1、0.62g。凈化方法可分為三種：①一段凈化法，其中只用氧化催化劑除去一氧化碳和烴類。②二段凈化法，先通過還原催化劑，使氧化氮與一氧化碳、烴類作用，還原成氮再通過氧化催化劑，使烴類和一氧化碳完全氧化，但還原過程中有部分氧化氮被還原成氨，在氧化過程中又被重新氧化成氧化氮，降低了氧化氮的凈化率。③三效催化凈化法，選用在同一反應條件下，對烴類、一氧化碳及氧化氮均有清除作用的催化劑，并要求在空氣與燃料比為14.7±0.1 的狹窄范圍內，才能使三者均較好地被消除,故汽車上可用電腦控制行車過程中的空氣、燃料比。