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臭氧催化氧化技术处理低浓度有机废气的实验研究

       等离子体与催化剂结合去除VOCs 是近年来备受关注的一种技术,臭氧氧化技术可应用于起燃温度低的低浓度VOCs 的处理。臭氧必须在适宜温度下进行,较高温度会使臭氧迅速分解为氧气,因此将臭氧与催化剂结合,在低温下产生协同作用,能达到良好的催化氧化效果。低温等离子体催化氧化技术适用于低浓度VOCs 的净化,在常压常温下反应迅速,具有良好的应用前景。本实验就对臭氧等离子等温催化氧化甲苯进行了实验研究。


1 仪器与方法

1. 1 实验原料和设备

气相色谱 ,马弗炉 ,臭氧发生器,鼓风干燥箱,电子恒温水浴锅 ,氧化铝,硝酸铜( AR 级) ,硝酸锰( AR 级) ,硝酸铈( AR 级) ,甲苯( AR 级) 。

1. 2 催化剂的制备

        本实验采用热吸附法制备催化剂,活性组分选用硝酸铜、硝酸锰、硝酸铈的单一或组合,将其配置成溶液; 将γ-Al2O3载体放入溶液中浸渍24h,加热煮沸,将浸渍后的γ - Al2O3于鼓风干燥箱中110℃下干燥12h,后置于马弗炉中在550℃下焙烧5h。

1. 3 催化剂性能评价

        臭氧低温催化氧化低浓度甲苯的评价装置如图1 所示。来自钢瓶的氮气,一路通过质量流量计通入置于水浴锅里的甲苯鼓泡瓶,产生甲苯,另一路作为平衡气与甲苯混合。氧气经臭氧发生器产生臭氧,与甲苯氮气混合后进入反应器,进行臭氧催化氧化。原料和尾气都经臭氧分析仪检和气相色谱分别检测臭氧及甲苯浓度。对比实验中,甲苯氮气直接进入反应器进行催化氧化,不于臭氧混合,原料气和尾气测定甲苯浓度。

1. 4 气相色谱检测条件


2 结果与讨论

2. 1 不同活性组分对催化剂性能的影响

        实验中甲苯浓度为15mg /L,臭氧浓度为3. 0mg /L,催化剂用量为0. 5mL,空速为10000h - 1。采用热吸附法分别制备以γ -Al2O3为载体,活性组分为CuO、MnO2及物质的量比为1∶1 的铜锰复合氧化物催化剂,其中均为负载量5%。评价结果如图2。

        由图2 可知,有臭氧存在的情况下,催化剂在30 ~ 110℃范围内可对甲苯产生良好的催化效果,无臭氧存在时,要达到相同催化效果,温度需要60 ~ 220℃,臭氧的存在可降低反应温度,且臭氧的存在可以可改善铜锰复合氧化物催化剂的催化效果,使其要优于活性组分为CuO、MnO2的催化剂,表明臭氧可起到增强金属协同效果的作用。

2. 2 负载量对催化剂性能的影响

        上述实验中活性较强的物质的量比Cu∶Mn = 1∶ 1 的复合氧化物催化剂,分别制备不同负载量的5 组催化剂,负载量分别为1%、3%、5%、7%、10%。活性评价结果如图3 所示。

        活性组分添加量的不同,会影响催化剂的活性。由图3 可知,低浓度负载时,催化剂的活性随着负载量的增加而增强。当负载量超过5%以后,活性的增加速率变小,原因是活性组分较少时,活性组分能均匀分布在载体上。活性组分过多时,会堵塞催化剂孔道,当负载量继续增大,还会造成催化效率下低,由此确定最佳负载量为5%。

2. 3 负载量对催化剂性能的影响

        实验中所用催化剂选用Cu、Mn 两种活性组分,制备物质的量比Cu∶Mn = 1∶1 的复合氧化物催化剂,负载量为5%,考察不同的焙烧温度,对催化剂活性的影响。活性评价结果如图4 所示。

        由图4 可知,当焙烧温度低于500℃时,随着温度升高,催化剂活性提高,在500℃时活性达到最强,原因是较低的焙烧温度使复合氧化物催化剂无法形成稳定化合物。当焙烧温度过高时,

3 结论

        本实验采用热吸附法制备催化剂,活性组分选用硝酸铜、硝酸锰、硝酸铈的单一或组合,对臭氧等离子体等温催化氧化甲苯进行了催化剂性能评价。实验结果表明,有臭氧存在下,催化剂的反应温度明显下降,且活性组分为物质的量比Cu∶Mn = 1∶1 的复合氧化物、最佳负载量为5%、焙烧温度在500℃时,催化剂的活性最佳。