常温高效催化氧化甲醇的研究

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挥发性有机物(VOCs)污染已经成为世界各国关注的焦点,其中醇类是VOCs中的重要组成部分。常温催化氧化VOCs技术具有反应温度低、安全性高的特点,因而已逐渐成为治理大气污染物的重要技术之一。本课题探索常温下臭氧辅助催化剂对甲醇的催化氧化降解行为,为常温催化VOCs研究提供重要的理论支撑。本文以甲醇为常温臭氧催化氧化的探针分子,制备一系列金属氧化物为载体、贵金属为活性位点的催化剂。对催化剂的制备方法、载体、负载的贵金属进行了选择,结果显示采用共沉淀法,以Fe(NO33为前驱体制备的Pt/FeOx催化剂对臭氧催化氧化甲醇有最佳的降解效果;然后对Pt/FeOx催化剂的制备pH、Pt负载率和煅烧温度进行优化,实验结果表明,Pt/FeOx催化剂的最佳制备pH为8,Pt最佳负载率为0.2 wt%,最佳的煅烧温度为400℃。对Pt含量不同的Pt/FeOx进行了ICP-OES表征,结果显示Pt实际的负载量值与理论负载值一致;对不同煅烧温度的催化剂进行了SEM、XRD、TEM和XPS表征,SEM、TEM结果表明Pt粒子较小并分散在载体FeOx的表面;XRD结果表明随着煅烧温度的提高,FeOx载体的晶型会发生变化且催化剂中Pt的颗粒非常小,高度分散在FeOx载体表面,这一结果与SEM、TEM结果一致;XPS结果表明煅烧温度会影响Pt在催化剂中的价态,当煅烧温度为400℃,此时Pt0/Pt2+为1左右,Pt/FeOx催化剂对甲醇的降解活性最高。实验探究了反应工艺条件对甲醇去除的影响,考察了反应温度、空速、甲醇初始浓度和臭氧初始浓度对臭氧催化氧化甲醇的影响,实验结果表明,反应温度为30℃,空速为24000 h-1,甲醇初始浓度为350 mg/m3,臭氧初始浓度为300mg/m3时,甲醇可被完全去除。催化剂循环使用6次后活性无明显减小,表明Pt/FeOx催化剂有一定的循环使用能力。采用市售的臭氧处理催化剂对反应尾气进行处理,当处理空速为8000 h-1时,臭氧完全被去除的时间可达到312 h。采用Power-rate law对反应动力学数据进行拟合,得出反应的活化能为14.66kJ/mol,远远低于未使用催化剂臭氧氧化甲醇的活化能,说明催化剂的加入大大降低了反应的活化能;使用EPR只检测出·OH,说明反应过程中生成·OH,随后采用水杨酸浸渍膜捕集-高效液相色谱法检测到实验中生成的气态·OH量为4.20×1012(个/cm3);最后采用红外色谱检测反应后的产物,结果表明甲醇在实验条件下完全被氧化成CO2和H2O。常温高效催化氧化技术具有处理效果好、运行成本低等特点,可用于VOCs的治理领域,且具有广阔的应用价值。
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