第九章环境催化剂
环境保护催化剂-y
的目的。
3、有害气体的降解 纳米TiO2可以通过光催化技术将有毒气体吸附于其表面并将这些物质氧 化降解，从而了室内空气中的有害气体的浓度。可以通过光催化技术将 有毒气体氧化成我们常用的无机酸，这些酸可溶解在雨水中，从而达到 净化空气的目的。
环境保护催化剂
———TiO2光催化剂的 制备与应用 小组成员： 徐海燕
潘代兰 潘 荧 张 席 苏亚林
一、环境保护催化的研究内容
对污染的治理 将污染物转化为无害物质，或回收加以利用； 在生产过程或化学反应过程中减少污染物的排放，直至无污 染排放； 用新的原料、催化剂取代对环境有害的物质或开辟新的副产 物少、选择性高的催化反应路径；
2、太阳能利用率低 TiO2带隙能较宽，只能吸收波长小于或等于387 nm的光子，也就是说只能被波 长较短的紫外线激发。照射到地面的太阳光中只有4 %-6 %的紫外光线，因此太阳光 能利用率低。目前使用的光源一般是波长小于400nm范围的人工光源，这些光源能 量消耗大，若能拓宽光催化剂的光谱利用范围，可大大降低光催化技术的运行成本。 因而这方面的研究对光催化技术的实际应用具有重要而深远的意义。
二、环保催化剂的应用研究进展
2.1 贫燃车用催化剂
柴油发动机在贫燃条件下操作时，汽油发动机空燃比(空气和燃料之比)
大于17：1，甚至更高。此时，发动机的动力性能可大大提高，降低了CO、
烃类化合物、CO2的排放，然而NOx的排放量却大大增加。对目前流行的 三效贵金属催化剂来说，如此高的空燃比已超出正常操作范围，故不能有
1、光催化反应效率不高 光催化剂产生的载流子复合率高，导致光量子效率低，并且光催化剂反复 使用时，催化活性有所降低，这是阻碍TiO2作为光催化剂应用的主要原因。可 以从以下两个方面着手解决此问题：(一)是缩小TiO2粒子的粒径，随着表面原子 数的增加，光吸收效率的提高，从而增加了表面光生载流子的浓度，可以提高 其催化活性；(二)是抑制光生载流子的复合，可以通过掺入金属离子或加入氧化 剂等方法来阻止电子-空穴的复合，来达到提高催化效率的目的。
环境催化
环境保护催化剂- 正文催化剂工业中的一类产品，用于借助催化作用来消除环境污染的工艺。
自20世纪70年代汽车排气催化净化技术商业化以后，此类催化剂与石油炼制催化剂、化工催化剂（包括石油化工催化剂和无机化工催化剂并列为催化剂工业中的三大类产品。
环境保护用催化剂通常有较高的催化活性，能将浓度本来很低的污染物经催化转化为无毒物；能承受较高的作业负荷，以节约催化剂用量和治理污染的设备投资；能在室温或不太高的温度下作业，以减少治理污染所需的能耗。
被处理的气体，通常含有粉尘、重金属、含硫化合物、含氯化合物、酸雾等，因此要求催化剂的抗毒能力较强,化学稳定性好,具有足够的催化剂寿命。
有时，要求有良好的催化剂选择性不致因副反应所生成的产物造成二次污染。
在环境治理工程中，由于被污染物的组成、浓度、温度等常有变化,故要求催化剂能在较宽的反应条件下保持其效率,这与典型的化工生产中所用的催化剂是有所不同的。
燃烧催化剂用完全催化氧化的方法使可燃性污染物质转化为二氧化碳和水的催化剂。
广泛用于治理工厂的排气污染,主要是一氧化碳、烃类及其含氧衍生物,如醇、醛、酮、酯等引起的污染。
第一次世界大战时曾用CuO和MnOx为催化剂,置于防毒面具中以净化毒气（一氧化碳等），在室温下即有效。
催化燃烧技术现在广泛地用于排放有机溶剂废气的行业和排放可燃尾气的化工厂。
将直接燃烧和催化燃烧法比较，依据不同的污染物，起燃温度（为保持反应正常进行所需的最低温度）分别为600～800℃和室温至400℃,即用催化法治理污染的起燃温度低，可节约能源。
最常用的催化剂是以铂、钯、氧化铜、氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化钒等为活性组分，以氧化铝为载体。
含贵金属的催化剂极为活泼，在催化剂中的含量通常为0.3％～0.1％,它们甚至在低于100℃时可使烃类完全转化,铂转化一氧化碳效率优于钯,而对烃类的燃烧活性则反之。
以甲烷为例,催化燃烧活性顺序为Pd＞Pt＞Co3O4＞PdO ＞Cr2O3＞Mn2O3＞CuO＞CeO2＞Fe2O3＞V2O5＞NiO＞MoO3＞TiO2。
环境友好型催化剂的开发与应用
环境友好型催化剂的开发与应用在当今社会，随着工业化进程的加速和人们对环境保护意识的不断提高，开发和应用环境友好型催化剂已成为化学领域的一个重要研究方向。
环境友好型催化剂不仅能够提高化学反应的效率和选择性，还能减少对环境的污染和资源的浪费，为实现可持续发展目标发挥着关键作用。
一、环境友好型催化剂的定义和特点环境友好型催化剂，顾名思义，是指那些在化学反应中具有高活性、高选择性，同时对环境无害或危害极小的催化剂。
与传统催化剂相比，它们具有以下显著特点：1、高效性：能够在较低的温度、压力等条件下促进化学反应的进行，提高反应速率和产率。
2、选择性：可以精准地控制反应的方向，生成特定的产物，减少副反应的发生，从而降低废弃物的产生。
3、可再生性：在使用后能够通过一定的方法进行回收和再生，延长其使用寿命，降低成本。
4、环境相容性：不含有毒有害物质，在反应过程中不会产生新的污染物，对生态环境友好。
二、常见的环境友好型催化剂1、酶催化剂酶是生物体内产生的具有催化作用的蛋白质，具有极高的催化效率和选择性。
由于酶在温和的条件下就能发挥作用，如常温、常压和近中性的 pH 值，因此被广泛应用于食品、制药、环保等领域。
例如，在废水处理中，利用特定的酶可以分解有机污染物，将其转化为无害物质。
2、纳米催化剂纳米材料由于其独特的物理和化学性质，在催化领域展现出巨大的潜力。
纳米催化剂具有比表面积大、活性位点多等优点，能够显著提高催化性能。
例如，纳米金、纳米铂等贵金属纳米粒子在催化加氢、氧化等反应中表现出色。
3、固体酸/碱催化剂传统的液体酸/碱催化剂在使用过程中存在腐蚀设备、难以回收等问题。
而固体酸/碱催化剂，如沸石分子筛、固体超强酸等，具有易于分离、可重复使用等优点，在酯化、醚化等反应中得到了广泛应用。
4、光催化剂光催化剂能够利用光能来驱动化学反应。
常见的光催化剂如二氧化钛，在光照条件下可以分解有机污染物、产生氢气等。
光催化技术在环境保护和能源领域具有广阔的应用前景。
环境催化—原理及应用
环境催化—原理及应用环境催化是一种通过催化剂介导的化学反应来改善环境质量的技术。
它可以用于废气处理、废水处理、固体废物处理等领域。
在环境催化中，催化剂起到了重要的作用，它可以降低反应温度、提高反应速率以及增加反应选择性，从而有效地减少有害物质的排放和转化为无害物质。
环境催化的原理是利用催化剂上的活性位点与反应物发生物理或化学相互作用，从而改变反应的活化能，使反应在较低的温度下发生。
催化剂通常是金属或金属氧化物，具有较高的表面积和活性位点。
活性位点可以吸附反应物分子，并提供一定的反应能垒，使反应物分子更容易发生反应。
此外，催化剂还可以通过提供物理场、有效分离反应物、改变反应物的组态等方式来促进反应的进行。
环境催化在废气处理方面的应用主要包括三个方面：V O C s催化氧化、N Ox催化还原和氧化还原反应。
V O C s催化氧化是将有机废气中的挥发性有机化合物氧化为二氧化碳和水，常用的催化剂有P t、P d、R h等贵金属催化剂。
N O x催化还原是将废气中的氮氧化物还原为氮气，常用的催化剂有R h、I r、P d、N i等贵金属催化剂。
氧化还原反应可以将废气中的有害物质通过催化剂的作用转化为无害物质，常用的催化剂有C u、C o、V等金属氧化物催化剂。
在废水处理方面，环境催化可以应用于有机废水处理、重金属废水处理和氮、磷等无机物废水处理。
有机废水处理常用的催化剂有活性炭、金属氧化物等，它们可以吸附有机物质，降低水中有机物质的浓度。
重金属废水处理主要是通过催化剂与重金属离子发生还原、沉淀或络合等反应，从而将重金属转化为易于处理的无机形态。
氮、磷等无机物废水处理可以通过氧化、还原、吸附等方式实现，催化剂的选择与溶液中的物种密切相关。
在固体废物处理方面，环境催化可以应用于固体废物气化、焚烧和还原等过程。
固体废物气化是将固体废物中的可燃组分转化为高热值的燃料气体，常用的催化剂有镍基催化剂。
焚烧是将固体废物燃烧为无害物质，常用的催化剂有二氧化锆和锆铝混合物。
环境友好型催化剂的制备及应用研究
环境友好型催化剂的制备及应用研究随着人们对环境保护的日益关注，环境友好型催化剂的研究和使用也变得越来越重要。
环境友好型催化剂是指能够在环境条件下高效催化反应，并且不对环境造成污染和危害的催化剂。
其制备和应用研究已经成为当今化学领域中重要的研究领域之一。
一、环境友好型催化剂的制备方法传统的催化剂制备方法往往需要高温高压，使用有机溶剂或毒性重金属等，这些方法产生的副产物会对环境和人体健康造成危害。
因此，需要寻找一种更加环保的催化剂制备方法。
目前，研究人员提出了一种基于可再生材料的制备方法，使用天然材料作为催化剂的载体，如纳米纤维素、黄原胶等，利用这些天然材料具有的生物可降解性、低毒性、易得到等特点，可以有效地降低对环境的污染。
以纳米纤维素为例，它可以作为制备金属纳米颗粒的载体，用于催化氢气生成等反应。
其制备方法为：将纤维素酸化处理，使其表面产生羧基，并与金属盐反应制备纳米颗粒。
这种方法具有简单、环保等优点，而且纳米颗粒可以随着纤维素生物降解，不对环境造成污染。
二、环境友好型催化剂的应用研究环境友好型催化剂应用于各种催化反应中，例如有机合成、污染物处理和能源产生等领域。
其中，有机合成领域中，环境友好型催化剂主要用于催化不对称合成、环化反应等，如银催化的烯烃-炔烃及烯烃-酯反应等，这些反应可以产生对手性化合物，广泛应用于药物合成和化学材料中。
在污染物处理中，环境友好型催化剂也显示出其重要作用。
例如，二氧化钛是一种常用的阳光催化剂，可以将有机污染物分解为无害物质，净化大气和水体。
能源产生领域中，环境友好型催化剂则应用于催化光解水制氢、燃料电池等，这些技术可以将太阳能、风能等清洁能源转化为能源生产和使用。
三、环境友好型催化剂的发展前景随着公众对环境保护意识的提高，环境友好型催化剂的研究和应用前景也越来越广阔。
未来的研究方向包括：1.基于天然材料的制备方法的研究，如纳米纤维素、果胶等；2.开发更高效、更稳定的环境友好型催化剂，以满足各种催化反应的需要；3.制备更具特殊功能的环境友好型催化剂，如可光刻、可可控的催化剂等；4.将环境友好型催化剂应用于更广泛的领域，如化妆品、食品等，为人们的生活提供更环保的化学品。
催化剂表征
不同形状的 ZSM-5晶粒 的SEM照片
化学方法生长的ZnO纳米阵列
多孔SiC陶瓷
SEM测定晶粒大小－蜂窝陶瓷表面生长纳米碳纤维
X500
例：SEM测定晶粒大小－蜂窝陶瓷表面生长纳米碳纤维
X3000
例：SEM测定晶粒大小－蜂窝陶瓷表面生长纳米碳纤维
X10000
例：SEM测定晶粒大小－蜂窝陶瓷表面生长纳米碳纤维
MCM-41介孔分子筛的XRD图
Ni2P 2 h Ni2P 6 h
a b c d e f
30 40 50
Intensity ( a.u )
Ti0.01Ni2P(C) Ti0.03Ni2P(C) Ti0.01Ni2P(C) Graphite
10 20 60
70
2
(a)
Intensity (a.u.)
48 h 12 h 8h 3h 1h 0.5 h
2 4 6 8 10
2(deg.)
晶化时间的影响
不同温度焙烧的Ag/SiO2催化剂XRD谱
16%Ag/SiO2 ¨ ‹ ¨ ‹
¨ : Ag ‹
He7002h
¨ ‹
¨ ‹
Intensity / a. u.
O7002h
He5002h
O5002h 0 20 40 60 80
基本原理
Eb hv Ek
• Eb——电子结合能hν ——入射电子的能量 • Ek——光电子的动能
入射X光子能量已知，这样，如果测出电子的动能Ek， 便可得到固体样品电子的结合能。各种原子，分子的轨 道电子结合能是一定的。因此，通过测定样品产生的光 子的能量，就可以了解样品中元素的组成。
2
1
0
环境保护中的催化剂研究
环境保护中的催化剂研究环境保护一直是人们非常关心的问题，随着工业化程度的加深和人口的增长，环境问题也越来越受到关注。
环境保护主要包括空气污染、水污染、土地退化、噪声污染等方面。
其中，空气污染是目前环境问题中最为突出的一个问题。
空气污染严重影响人们的健康和生活质量，同时也对环境造成了影响。
为了解决空气污染问题，许多专家学者研究了许多新型催化剂，希望通过催化剂的研究来保护环境。
催化剂是一个能够引发和促进化学反应的物质。
它可以加速反应过程，提高反应效率，从而起到“催化”的作用。
催化剂在工业生产、环境保护等方面有着广泛的应用。
在环境保护领域，催化剂的研究已经成为了一种重要的手段。
催化剂在环境保护中的主要应用是通过催化反应来净化废气中的有害物质。
废气中的有害物质包括NOx、SOx、CO、VOCs等。
针对不同的有害物质，研究人员设计制备了不同的催化剂，例如硝化催化剂、脱硫催化剂、氧化催化剂、还原催化剂等。
这些催化剂都是通过不同的机理来催化反应，实现有害物质的净化。
硝化催化剂主要用于去除尾气中的NOx。
NOx是一种臭氧前体，也是一种酸性气体，对人体和环境都有很大的影响。
硝化催化剂可以将NOx转化为NO2，进而进入到SCR催化反应中再次转化为N2和水。
硝化催化剂通常是基于TiO2、WO3、V2O5等物质制备而成。
这些催化剂具有高催化活性、高选择性和长寿命等优点。
同时还可以通过控制反应条件来调节反应速率和选择性。
脱硫催化剂主要用于去除尾气中的SOx。
SOx是一种强酸性气体，对环境和人体有很大的危害。
脱硫催化剂可以将SOx转化为SO2，进而进入到SCR催化反应中再次转化为化合物。
脱硫催化剂通常是基于V2O5和TiO2等物质制备而成。
这些催化剂具有高催化活性、高选择性和耐久性等优点。
同时还可以通过控制反应条件来调节反应速率和选择性。
氧化催化剂主要用于去除尾气中的CO和VOCs。
CO和VOCs都是有害物质，对健康和环境都有很大的危害。
环境催化的原理与应用
环境催化的原理与应用
一、环境催化的概述
•环境催化的定义
•环境催化的意义
二、环境催化的基本原理
•催化反应的定义
•催化剂的作用机制
•催化剂的种类与选择原则
三、环境催化的应用领域
•环境污染修复
–大气污染治理
–水环境净化
–土壤修复
•可再生能源开发
–光催化水分解
–电化学催化
•化工过程催化
–催化裂化
–催化氧化反应
–催化燃烧
四、环境催化的关键技术与方法
•催化剂设计与合成
•催化反应动力学研究
•反应机理探究
•催化剂寿命及再生问题
五、环境催化的挑战与展望
•催化剂活性与选择性的矛盾
•催化剂的高效可持续性
•新材料的研发与应用
结论
环境催化作为一种重要的环境保护技术，具有广泛的应用前景。
通过合理设计和选择催化剂，可以实现高效、经济、环境友好的反应过程，实现环境污染修复和可持续能源开发等目标。
然而，目前仍然存在一些挑战，例如催化剂活性与选择性的平衡、催化剂的高效可持续性等。
因此，今后的研究需要致力于催化剂的设计与合成、催化反应动力学研究以及新材料的研发应用。
相信在不断的努力下，环境催化技术将发展得更加成熟和完善，为我们创造一个更加清洁和美丽的环境。
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机动车尾气净化 排烟脱硫、脱氮 催化燃烧 CO2和氯氟烃的催化治理 清洁燃料和环境友好催化
精品课件
第一节 机动车尾气净化
1、汽油机尾气净化技术：
三效催化剂：同时催化转化CO, HC和NOx
1). 三效催化剂尾气净化原理
NO + CO NO + H2
N2 + CO2 N2 + H2O
TS-1
精品课件
CH3-CHO
CH4＋ O2 CO2＋ H2O
CH4＋ CO2 CO＋ H2
CCCCHOOH4＋4＋＋＋HHH2O222O
Combustion
Dry reforming Steam reforming
Partial oxidation
精品课件
Langmuir-Hinshelwood (L-H)机理：双分子机理
A＋ * A*
4N2 + 7N2 +
精品课件
第二节 排烟脱硫、脱氮
1、NOx催化消除：
选择性催化还原(SCR)
2). 烃类为还原剂(低碳烷烃、烯烃)：Cu-ZSM-5为催化 剂
NO + O2 + HC H2O
富O2条件下使用，无氧条件下无活性。
N2 + CO2 +
精品课件
第二节 排烟脱硫、脱氮
2、SOx催化消除：
C C l4
1 1 C H C l3
?*C C l3 2 2 3 3
? * C H C l2
?* C H 2C l
C 2C l6
C 2C l4
?*C H 3 烃 H yd
四氯化碳加氢脱氯反应路径示意图
精品课件
第五节 清洁燃料和环境友好催化
1、清洁汽油：
烯烃、芳烃：高辛烷值汽油组分，但会造成积碳， 尾气中CO、HC、NOx等污染物增加 目标：降低烯烃、芳烃含量，避免辛烷值损失 途径：选择性裂解使烯烃转化为C3=、C4=；烯烃与 醇类醚化；芳烃抽提
处理方法：
催化NOx分解： NOx
N2＋ O2
注入还原剂(柴油)：耗油增加
尚不够成熟
精品课件
第二节 排烟脱硫、脱氮
1、NOx催化消除：
选择性催化还原(SCR)
1). NH3为还原剂：V2O5/TiO2为催化剂
4NO + 4NH3 + O2 6H2O
6NO2 + 8NH3 12H2O
使用条件：O2含量< 5%
精品课件
1、汽油机尾气净化技术：
三效催化剂：同时催化转化CO, HC和NOx
3). 三效催化剂存在的问题 Pd-Rh-Pt成本高 贫燃 (lean burn)条件：NOx还原效率低 低温活性差，冷启动过程尾气转化效率低
精品课件
2、柴油机尾气净化技术：
特点：氧含量高，NOx含量高 有固液混合颗粒，含硫酸盐
B＋* B*
A*＋ B*
AB*
AB*
AB ＋ *
Eley-Rideal(E-R)机理：单分子机理
A＋ * A*
A* ＋ B AB*
AB*
A精B品＋课件 *
第四节 CO2和氯氟烃催化治理
1、控制CO2排放引起的温室效应：
减少排放：节能、使用不含碳能源 循环利用：植物光合作用
2、氯氟烃
化学特性：稳定、无毒、不易燃烧 用途：致冷剂、发泡剂、清洗剂 危害：破坏臭氧层，造成地面紫外线增加 治理：用含氢氟氯烃代替
2、清洁柴油
目标：脱硫、脱芳、减少异构、提高十六烷值 工艺：加氢脱硫、加氢裂化
精品课件
3、绿色化学化工及环境友好催化剂
清洁生产的要求 ➢ 清洁生产工艺
无毒无害中间产品；无废少废工艺；物料 内部循环 ➢ 清洁产品
不破坏环境；不危害人体健康；便于回收、再 生
➢ 清洁能源
例:
CH3-CH=CH2 + H2O2 CH2
1). 碱吸收 Ca(OH)2 + SO2 2). 催化消除：V2Oa(SO3).5H2O
SO3 H2SO4
精品课件
第二节 排烟脱硫、脱氮
3、同时脱除NOx和SOx：
两段催化剂：先注入NH3，脱除NOx，再将 SO2氧化为SO3，经水洗吸收。 催化剂主要组分：V2O5
精品课件
第三节 催化燃烧
火焰燃烧：
燃烧不完全：有CO生成 火焰温度高(>1300oC)，使N2氧化为NOx
催化燃烧：
促进完全燃烧
降低燃烧温度 减少废气排放
催化燃烧催化剂：
Pd(Pt)/Al2O3 CuO, MnOx, CoOx复合氧化物
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CH4催化燃烧： CH4催化燃烧 + CH4重整 ＝ CH4部分氧化
CO + O2 HC + O2
CO2 CO2 + H2O
CO + H2O
精品课CO件2 + H2
1、汽油机尾气净化技术：
三效催化剂：同时催化转化CO, HC和NOx
2). 三效催化剂组成 Pd-Rh-Pt/g-Al2O3/堇青石(Cordierite:镁铝硅酸 盐) Pd, Pt：CO、HC氧化 Rh：NOx还原 助剂： CeO2：储氧功能 BaO：提高g-Al2O3热稳定性
含氢氟氯烃在到达臭氧层之前分解
精品课件
第四节 CO2和氯氟烃催化治理
2、氯氟烃
氟利昂制冷剂 CFC–11：CFCl3 CFC- 12：CF2Cl2
替代品 HCFC–123：CHCl2CF3 HFC- 134a：CH2FCF3
破坏臭氧层
不会破坏臭氧层
含氢氟氯烃在到达臭氧层之前分解
精品课件
CCl4治理