催化技術在大氣污染治理中的運用研究

侯 嫻

（運城市生態環境宣教中心，山西 運城 043600）

工業化進程的飛速發展極大地便利了人們的日常工作和生活，但是化石燃料產生的廢氣廢物對人類健康以及自然環境帶來了嚴重的負面影響，大氣環境治理工作刻不容緩[1]。催化技術最早出現于20 世紀初期，目前已經在環境保護領域的得到了廣泛的應用。

1 大氣污染現狀

大氣污染物主要包括CO2、CO、SOx、NOx以及非甲烷VOCs 等，其來源主要以化工廠、發電廠、汽車尾氣排放為主。改革開放以來，我國經濟快速發展，能源消耗不均衡的現象頻發，煤炭消耗、化工廠排放所帶來的的大氣污染問題日益嚴峻。截止2022 年底，我國機動車保有量近3.2 億輛，其中95%以上為燃油車，汽車尾氣中一氧化碳和碳氫化合物占比超過80%，龐大數量的汽車尾氣排放給大氣造成了嚴重的污染[2]。

如表1 所示，CO2排放問題已經成為人類共同關注的問題。社會生產以及人類活動產生了大量的CO2，嚴重超過了地球自身的吸收能力。為解決CO2吸收不平衡的問題，各國制定了“碳達峰、碳中和”計劃，并實施碳捕集策略?；诖呋夹g將CO2與CH4反應得到氫或者乙酸，或者在催化作用下與氨反應得到尿素，將其轉換為可用的化學物質；SO2問題也是大氣污染的治理的重點所在，基于環境催化技術可以將其催化還原轉換為有用的化工產品單質硫磺；對于NOx來說，優選催化還原工藝，可將其催化轉換為氮氣和水等物質。

表1 大氣主要污染物統計

2 催化技術在大氣污染治理中的應用

2.1 催化技術

在大氣污染治理過程中，應用催化技術可以有效地消除有害物質，減少對自然環境的二次污染。在大氣污染治理領域，常用的催化技術包括選擇性催化還原技術、催化凈化技術、碳吸附氧化技術、納米光催化技術等。

2.1.1 催化還原技術

對于大氣中的氮氧化物來說，應用催化還原技術能夠將其轉化為無污染的氮氣和水等，與此同時，借助脫硝方法能夠有效提高還原效率，應用效果顯著。在實際脫硝過程中，精準控制氨流量、反應溫度（多選擇290～420 ℃的環境）、優選催化劑是提高催化還原的關鍵，此外需要對未完全反應的催化物進行處理。

2.1.2 催化凈化技術

該技術在汽車尾氣污染治理領域應用較多。在實際中，基于SCR 催化技術，設置良好的尾氣匹配溫度，促進催化轉型反應，提升尾氣污染物質的轉化率。利用尾氣分析儀對CO 以及氮氧化物進行檢測，落實催化凈化技術的作用狀況。

2.1.3 炭吸附氧化技術

該技術應用活性炭的強吸附能力，對大氣中的硫化物等污染物進行吸附處理，減輕大氣的污染程度。炭吸附氧化技術實施的關鍵在于選擇合適的吸附劑，目前部分新型吸附劑能夠較好的將硫化物從大氣中深度分離出來。

2.1.4 納米光催化技術

納米光催化技術起源于20 世紀70 年代，在紫外光照射條件下，TiO2電極能夠讓正常狀態下的水發生氧化還原反應。在特定的光照條件下，TiO2能夠吸收短波光輻射，在光照能量作用下價帶電子形成躍遷，依附于TiO2表層的H2O 和O2發生光化學反應，生成強氧化性能的超氧陰離子自由基，大氣中的污染物被其氧化并降解為無機酸、CO2以及H2O 等成分。該技術充分應用了太陽能這一清潔能源，能夠避免二次污染，優勢明顯[3]。TiO2作為具有強氧化功能的催化劑，活性高、毒性低，但是其劣勢在于需要在波長小于388 nm 的紫外光照射下才能激發。傳統光催化劑受限于光譜響應范圍以及量子效率等問題，應用受限，研究人員針對光催化材料開展了大量的研究，比如對光催化劑表層性能、能帶結構等進行調控，提高電子分離效率，保證納米催化劑的高性能[4]。

2.2 實際應用

2.2.1 煙氣脫硫方面

將SO2催化還原為單質硫磺工藝技術的核心原理是，將不充分燃燒產生的水煤氣、CO 作用生成的氫作為還原劑，在催化反應器中將煙氣中的SO2還原為單質硫，經冷卻后得到化工產品硫磺[5]。如圖1 所示，將除塵后的煙氣預加熱到250～300 ℃，在進入催化反應器前測定煙氣中的SO2濃度以及不同組分的含量，基于此設置還原劑的用量，在400 ℃溫度環境下實現煙氣脫硫。

圖1 SO2 催化還原為單質硫磺流程圖

此外，也可以使用催化劑將SO2轉化為SO3，并得到H2SO4等化工產品，其中較為常見的是碳基催化氧化SO2工藝，其流程是將工業煙氣進行除塵處理，并調制成氧氣體積分數為5%～15%的煙氣水蒸氣體積分數（6.5%～10%），在80～100 ℃環境下催化反應，獲得質量分數為20%～30%的H2SO4產品。某企業炭基催化氧化法34×104m3/h 硫酸尾氣脫硫項目技術指標對比情況見表2 所示，該方法應用效果較好，脫硫效率近95%。與傳統脫硫方法相比，炭基催化氧化工藝流程短、操作簡單，脫硫效率高，作為干法脫硫技術不會出現結垢、堵塞等問題。

表2 某企業脫硫處理項目技術指標對比

2.2.2 煙氣脫硝方面

對于大氣中的氮氧化物來說，其凈化方式主要以燃燒過程、末端控制為主。燃燒過程指的是優化改善燃燒過程降低氮氧化物的生成，末端控制則是通過（非）催化法實現煙氣脫硝。非催化法（SNCR）不依賴催化劑即可實現化學反應，存在能耗及費用高等問題，常見的有濕式吸收法、電子束照射法等；催化法（SCR）則是選用氨等還原劑與氮氧化物進行化學反應，脫除氮氧化合物，在工程實際中應用較多，其工藝流程見圖2 所示。以氨作為還原劑的脫硝反應方程式為式（1）—式（3）：

圖2 SCR 法工藝流程示意圖

一般反應溫度為180～600 ℃。催化法對催化劑要求較高，催化劑成本占比高達20%～40%，目前常見的催化劑有貴金屬類催化劑（Pt-Rh、Pd 等）、非貴金屬氧化物（Fe2O3、V2O5等）、沸石分子篩型催化劑等。貴金屬催化劑的使用溫度為180～290 ℃，分子篩型催化劑的使用溫度一般為360～600 ℃。催化劑能夠提升化學反應效率，其自身不會消耗，但其表面容易被污染，導致其催化效率下降。催化法在實際應用中容易出現的問題主要有：催化劑失活；煙氣分布不均勻影響脫硝性能；煙氣中的部分硫化物與NH3反應導致催化劑中毒等[6-7]。

2.2.3 VOCs 凈化方面

常見的VOCs 凈化方法包括源頭控制和末端控制兩大類，其中前者側重優化生產工藝，降低其排放量，后者則是采用物理化學方法將其降解為低毒物質。催化燃燒是選擇催化劑將大氣中的VOCs 成分降解為CO2以及H2O 等無毒物質，其燃燒流程見圖3 所示。與傳統直接燃燒法相比，催化劑的加入可以降低反應溫度至150～400 ℃，避免氮氧化物的生成?；赥iO2的納米光催化技術能耗低、降解效率高，在室內空氣凈化方面應用較多。對于VOCs 的凈化來說，催化劑的選擇至關重要，其催化效率受溫度、進氣條件等多種因素的影響。溫度過低，會影響化學反應效率；溫度過高則可能造成催化劑燒結、失活。

圖3 VOCs 催化燃燒流程圖

2.2.4 尾氣治理方面

對于汽車尾氣的處理一般是選擇催化劑促進HC、CO、NOx等有害物質的降解反應。汽車尾氣治理催化劑主要涉及活性成分以及載體材料兩部分，其中前者主要以貴金屬催化劑（Pt、Rh、Pd）為主，此外也可引入La、Ce、Zr 等添加劑改善催化劑結構以及催化性能。早期的活性成為以Pt、Pd 為主，隨著NOx排放被嚴格限制，三元催化劑（TWC）應運而生。因Rh、Pt 等貴金屬價格昂貴，減少貴金屬的使用、尋找替代品、提升堿金屬氧化性能成為三元催化劑的重要發展方向。

3 結語

隨著綠色環保理念的逐步普及，改善大氣質量、解決大氣污染問題越來越受到人們的關注。傳統物理、化學等大氣治理技術能耗高、工藝復雜，催化技術的出現給為人們提供了更為高效的治理思路[8]。催化劑作為重要的影響因素，其載體材料制備、活性組分性能改善、催化劑研發和制備是后續發展的重點方向。在實際中，結合不同催化技術的應用優勢，針對性地選擇催化手段，改善大氣污染情況，助力生態建設的高質量開展。