专利名称：一种用于低分子含氧有机废气催化净化方法
技术领域：
本发明涉及一种低分子含氧有机废气低温催化燃烧的方法，尤其涉及含氧有机废气低温催化燃烧的催化剂。
背景技术：
在许多工业生产过程中，低分子含氧有机化合物如乙酸乙酯、乙醇、丙酮作为最常用的溶剂，被广泛地应用于各个领域。然而，其沸点低，挥发度大，易在相关过程中对环境造成相当程度的影响。低分子含氧有机化合物对人体的主要危害有对眼、鼻、咽喉有刺激作用；高浓度吸入时可致呼吸麻痹，有麻醉作用，会产生急性肺水肿并造成肝、肾的损害；低浓度长期接触，可致角膜混浊、继发性贫血、白细胞增多等；误服者会产生恶心、呕吐、腹痛、 腹泻等症状；有致敏作用，过敏人群会因血管神经障碍而致牙龈出血，同时可致湿疹样皮炎。同时低分子含氧有机化合物极易燃，与空气可形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸，与氧化剂接触会猛烈反应。除其本身对环境的危害性外，还会和空气中的其它物质反应，生成臭氧等强氧化性污染物；与气溶胶中的有机组分发生作用，产生二次有机气溶胶污染。目前，处理该废气的方法主要有活性炭吸附处理法、酸碱中和法、等离子法、催化氧化法、催化燃烧法等。对于低浓度低分子含氧有机化合物的废气处理多采用催化燃烧方法。低分子含氧有机化合物废气的处理有其特殊性，其一，催化燃烧所需的温度偏高， 不利于该废气的安全处理；其二，副产物多，易造成二次污染。目前用于处理低分子含氧有机化合物催化燃烧的催化剂种类主要为三大类复合氧化物催化剂如钙钛矿型复合氧化物和尖晶石型复合氧化物、贵金属类催化剂和过渡金属氧化物催化剂。非贵金属催化剂活性低下，反应所需的温度较高，催化剂易失活；贵金属催化剂活性虽高，但价格昂贵，在高温时组分易流失。随着催化新材料的发展，纳米材料已成为开发催化新过程中的热点。稀土的4f轨道配体有弱的配位效应，尤其是Ce、Eu、Sm、La、Yb元素，以及稀土氧化物的弱的路易斯酸性，对低温吸附和活化C-H键起着重要的作用。氧化铈是结构敏感催化剂，其氧空穴的提供和催化活性都依赖于暴露的晶面。氧化铈各晶面的表面能依次为 {111} < {110} < {100}，其中，{100}和{110}晶面具有较高的表面活性氧含量。采用可控形貌的制备方法将氧化铈制成纳米结构，放大材料表面的量子效应，可以使更多的活性晶面暴露，从而体现更高的催化活性。如采用硬模板法制备介孔氧化铈；采用溶胶-凝胶法制备多孔氧化铈和氧化铈纳米管；使用反相微乳技术制备极小尺寸的氧化铈颗粒；通过非水的溶胶-凝胶过程，在表面活性剂存在的条件下，大批量的合成不同形貌的纳米氧化铈。此外，通过表面活性剂辅助法、反相微乳法、超声处理法、喷雾高温热解法等合成方法可以提高氧化铈的热稳定性；通过掺杂其他稀土元素或过渡金属，也可以使氧化铈在高温保持较多的催化活性晶面。目前特定晶面纳米氧化铈材料的应用仅限于CO催化燃烧、乙醇重整反应，在含氧挥发性有机物的催化燃烧中的应用尚未见报道
发明内容
本发明的目的在于公开一种用于含氧有机化合物低温催化燃烧方法。该方法以氧化铈纳米棒为燃烧催化剂，其活性高、无副产物生成、不造成二次污染、催化剂寿命长，特别适用于完全催化燃烧消除含氧有机化合物。本发明提供了一种用于低分子含氧有机化合物低温催化燃烧方法。技术路线如下在催化剂存在下，采用作为氧化剂的空气带入反应器，使含低分子含氧有机化合物在催化剂的作用下完全燃烧，将低分子含氧有机化合物转化成为二氧化碳和水；反应压力为0. 1 IMpa，优选0. 1 0. 5Mpa，尤其是0. IMpa，接近常压，温度为 100 350°C，优选为 150 300°C ；催化剂的用量，须足以使低分子含氧有机化合物在空气的存在情况下，转化成二氧化碳和水，一般情况下，低分子含氧有机化合物的废气中含氧有机化合物的浓度为 0. 05 5vol%，每克催化剂处理废气量为每小时10 30L。该方法使用氧化铈纳米棒催化剂，其制备方法采用目前已公开的方法(文献 Journal of Catalysis. 2005，229 :206_212)。采用本发明的方法，以空气作为氧化剂，在较低的反应温度下，在催化剂的存在下，可长时间稳定地将废气中的含氧有机化合物转化成为二氧化碳和水，催化剂的活性不降低。本发明提供的催化剂具有制备工艺简单、价格低廉、催化活性高、寿命长等特点； 技术路线方便实用，可以广泛用于造纸、制药、制革、洗涤以及化学工业废气中的低分子含氧有机化合物污染物的催化燃烧消除。
具体实施例方式实施例1将2. 6gCeCl3 · 7H20的铈盐与80ml去离子水配置成一定浓度的盐溶液，再加入一定量的NaOH固体，配制成混合溶液(30%质量分数)，使用磁子搅拌器剧烈搅拌半小时后， 装入带有聚四氟乙烯内衬的晶化釜中，然后在120°C下静止晶化48小时，冷却至室温后，用去离子水过滤洗涤直到中性，再以IOOml无水乙醇漂洗。最后置于60°C烘箱中干燥12小时， 于350°C焙烧后，得固体粉末。经X-射线衍射图谱确认固体粉末为萤石结构的氧化铈；TEM 透射电子显微镜观察可以确认所合成的氧化铈固体粉末为纳米棒状结构，直径15纳米，长度350纳米以上。催化剂活性评价在固定床反应器上进行。原料气在催化剂上的催化燃烧活性测试在U形石英微型反应器(内径3mm)中常压进行，催化剂的用量为80mg。液相乙酸乙酯采用美国Stoelting公司的100系列KDSlOl型微量注射泵射入汽化室(电加热)进行汽化，之后与空气充分混合，再进入反应气路。空气流量采用质量流量计控制，原料的浓度采用微量注射泵控制。空气进入反应气路之前经过三重净化处理(活性炭、变色硅胶和5A分子筛) 以除去空气中少量影响反应的杂质。反应器出口气体由装备FID检测器的气相色谱在线分析。反应器尾气取样分析的方法为在给定的温度上，维持反应半小时，取三次样。乙酸乙酯转化率数据为三次分析的平均值。乙酸乙酯浓度控制在0. 05vol%，每克催化剂每小时处理废气的量为30L，经反应器的气体线速度为340m/h。在不同温度下乙酸乙酯的转化率见表1。由表1可见，氧化铈纳米棒催化剂上乙酸乙酯90%的转化温度低于260°C，其活性可以与贵金属相比美。实施例2采用实施例1制得的氧化铈纳米棒催化剂，以乙醇为反应物，反应装置及方法与实施例1相同。在不同温度下乙醇的转化率见表1，由表1可见，氧化铈纳米棒催化剂上 90%乙醇的转化温度低于225°C，其活性可以与贵金属相比美。实施例3采用实施例1制得的氧化铈纳米棒催化剂，以丙酮为反应物，反应装置及方法与实施例1相同。在不同温度下丙酮的转化率见表1。由表1可见，氧化铈纳米棒催化剂上 90%丙酮转化温度低于275°C。实施例4采用实施例1的反应装置和反应条件，以乙酸乙酯为反应物，固定反应时间为 300°C，考察乙酸乙酯转化率随时间的变化。结果见表2。由表2结果可知，氧化铈纳米棒催化剂在1600分钟内是稳定的。实施例5采用实施例1反应装置，催化剂的用量为80mg，乙酸乙酯浓度控制在0. 05vol%, 改变反应器的进气量，使每克催化剂的废气处理量为40L、50L、60L。在不同温度下不同进气量的条件下，乙酸乙酯的转化率见表3。表3果表明，氧化铈纳米棒催化上在300°C下每小时的废气处理量能够高达50L/g 催化剂，这对于催化剂的工业应用无疑是十分关键和重要的。表1在氧化铈纳米棒催化剂上低分子含氧有机化合物的催化燃烧
权利要求
1.一种用于低分子含氧有机化合物低温催化燃烧方法。该方法以氧化铈纳米棒为燃烧催化剂，以空气为氧化剂，在常压和加热的条件下，使低分子含氧有机化合物完全燃烧转化成为二氧化碳和水。所述的催化燃烧，其反应压力为0. 1 IMpa，优选0. 1 0. 5Mpa，尤其是0. IMpa，接近常压，温度为100 350°C，优选为150 300°C ；催化剂的用量，须足以使低分子含氧有机化合物在空气的存在情况下，转化成二氧化碳和水，一般情况下，低分子含氧有机化合物的废气中含氧有机化合物的浓度为0. 05 5vol%，每克催化剂处理废气量为每小时10 30L。
2.根据权利要求1所述，用于易挥发性低分子含氧有机化合物低温催化燃烧消除的方法可以广泛用于工业废气中易挥发性低分子含氧有机化合物的低温催化燃烧消除。
全文摘要
本发明公开了一种完全催化燃烧消除环境中易挥发性低分子含氧有机污染物的方法。该方法以氧化铈纳米棒为催化剂，采用空气作为氧化剂，使低分子含氧有机化合物在催化剂的作用下完全燃烧，将低分子含氧有机化合物转化成为二氧化碳和水。本发明所用氧化铈纳米棒催化剂活性高，无副产物生成，不造成二次污染，催化剂寿命长，特别适用于低温完全催化燃烧消除低分子含氧有机化合物。
文档编号F23G7/07GK102200287SQ20111012787
公开日2011年9月28日 申请日期2011年5月17日 优先权日2011年5月17日
发明者戴启广, 朱昱, 李到, 王幸宜 申请人:华东理工大学