催化燃烧技术：非贵金属催化剂的研究与应用

PCDD/Fs等有机污染物具有相似的物理化学性质，如在环境中呈现持久性、生物富集性和放大性。这类有机污染物可以在热相关工业过程中(炼焦、电弧炉炼钢、铁矿石烧结、废弃物焚烧、有色金属生产)非故意生成与排放。
 　　NOx会导致酸雨、臭氧层破坏和气候变化，而且还生成大量含氮有机颗粒物(上世纪美国南加州光化学烟雾的主要成分之一)。VOCs是形成雾霾天气的二次有机气溶胶的重要前体物之一，在光照条件下与NOx发生光化学反应生成O3及其他光化学氧化物。
 　　而在垃圾焚烧行业中，NOx与二噁英的排放水平同样不容忽视。调研结果显示，测定均值1.0ngTEQ/m³的达标率为78%。测定均值为0.1ngTEQ/m³的达标率为43%。
 　　近年来，生态环境建设上升至国家战略高度，各项环保标准日益严格，PM2.5与氮氧化物的污染水平逐渐降低，但VOCs和O3在污染源中所占的比重却稳步上升，甚至可以说有增无减。业内人士指出，在我国PM2.5防控初见成效，能源结构、产业结构不断改善的情况下，VOCs和O3的问题今后会越来越凸显。
 　　据中国科学院生态环境研究中心研究员苏贵金介绍，当前我国大气污染物的处置主流方法分为回收法与消除法。回收法的手段主要有炭吸附、变压吸附、冷凝法和膜分离技术；消除法则主要有热氧化、催化燃烧、光催化、生物氧化等。其中，催化燃烧是适用范围最为广泛的治理技术。
 　　催化燃烧可以使燃料在较低的温度下实现完全燃烧，对改善燃烧过程、降低反应温度、促进完全燃烧、抑制有毒有害物质的形成等方面具有极为重要的作用，是一个环境友好的过程，其应用领域不断扩展，已广泛地应用在工业生产与日常生活的诸多方面。
 　　作为催化燃烧的核心材料，催化剂研究与开发的重要性越发凸显。现有的催化剂仍以贵金属催化剂为主，绝大多数为国外进口，价格高昂且资源稀缺，开发低成本、高效率的催化燃烧催化剂(贵金属减量化、复合氧化物、非贵金属催化剂)成为焦点之一。
 　　众所周知，非贵金属催化剂低温催化活性较低，表现在比表面积通常较低与活性元素选取及配比不合适。对此，苏贵金研究员指出，可以合适选取元素种类，各元素之间配比优化，进而构造层状结构，提高活性氧含量，最终提高比表面积以及催化性能。
 　　为此，中国科学院生态环境研究中心深入开展了微纳米催化剂在POPs控制方面的研究。据介绍，成型催化剂的工程要求看成“苛刻”，既要催化性能高、耐热温度高、价格便宜，还要求使用寿命长、催化剂抗中毒性能好。
 　　根据工程要求，提升方向也就相对明晰了，大致包括：提高催化活性，抗烧结技术，贵金属减量化技术，涂层耐久技术，抗中毒配方等。提升的途径主要有两个，分别是催化剂配方与成型工艺。
 　　以脱二噁英催化剂为例，其成型流程为“活性组分配置→原料混合→原料陈腐→基础成型 →一次干燥→二次干燥→煅烧→切割→组装→性能测试”。在相应的产品开发方面，泥料性质(含水率、PH值，颗粒度，黏性、流动性、塑性等)是决定催化剂是否顺利挤出成型的关键因素，经过多次调整实验，最终实现催化剂的顺利挤出成型。
 　　再从VOCs催化剂来说，中国科学院生态环境研究中心从载体调控技术、活性组分形貌及高分散、成型机调控技术及配方4个方面重点攻关，推出非贵金属催化剂。该VOCs催化剂以堇青石陶瓷蜂窝体为载体，负载稀土复合氧化物、过渡金属氧化物等活性组分，活性组分的分散度高，表面均匀。
 　　最后，无论是从能源利用角度还是从环境保护角度考虑，催化燃烧技术进步都会对社会发展产生重大影响。对催化燃烧技术的研究不应只停留在理论及实验室水平上，更具有现实意义的是应该让催化剂成为一种产业走进我们的生活。核心催化剂的研究，必将推动催化燃烧技术的进一步发展。