环境与催化概述共111页
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。
第2章 环境催化剂基础知识
中国石油大学（北京） 3
第一节 催化剂及催化作用基础
合成NH3反应途径：
中国石油大学（北京）
4
第一节 催化剂及催化作用基础
反应机理和反应过程的能量如下：
Reactions at Surfaces: From Atoms to Complexity (Nobel Lecture) by Gerhard Ertl Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 3524 – 3535
(1) 电子助剂：其主要作用是改变主催化剂的电子状态，从而使 反应分子的化学吸附能力和反应的总活化能都发生改变，提 高催化性能。 (2) 结构助剂：其主要作用是稳定催化剂结构，使催化活性物质 粒度变小、比表面积增大，防止催化剂烧结而降低活性等。
中国石油大学（北京） 7
第二节 催化剂组成和催化反应类型
中国石油大学（北京） 14
第三节 催化剂的重要应用领域
碳一化学：碳一（ C1 ）化学主要研究含一个碳原子的化合物， 如甲烷，甲醇， CO ， CO2 ， HCN 等参与的化学反应。目前已可 按 C1 化学的路线，从煤和天然气出发，生产出新型的合成燃料， 以及乙烯，丙烯，芳烃等重要的起始化工原料。而这些新工艺的 开发，首先要解决催化剂这一关键问题 ，特别是煤经合成气 （CO+H2）制甲醇，由F-T合成制汽油、柴油等。甲醇催化转化 制乙烯、丙烯等可大大缓解对石油的消耗，对可持续发展有重要 的意义。 基础无机化工：基础无机化工产品如硫酸，硝酸，合成氨等种类 虽然不多，但产品相当大。其中硫酸是世界产量最大的合成化学 品之一。目前硫酸的生产是用催化剂氧化SO2制得；硝酸是在铂 －铑催化剂作用下，氨催化氧化制得；合成氨工业使用的催化剂 达8种以上，包括加氢脱硫钴－钼基、锌基催化剂；一段转化、 二段转化镍基催化剂；中温变换铁基催化剂；低温变换铜基催化 剂；甲烷化镍基催化剂；氨合成铁基催化剂等。
环境功能材料 5 催化与催化剂资料
近百万人伤亡，遭到了美、英、法、中等国科学家们
的谴责。
1.1 1．催化剂的发展历程
NH3 + O2 = NO ---HNO3 Pt 为大量生产HNO3 H2SO4 奠定了基础, 它们正是生产炸药, 化肥的
基础原料。正是这时，发生了由德国发起的第一次世界大战。
1923年 CO + H2 = CH3OH (ZnO-CuO)
Path
催化剂的发展历史
1875年 真正具有工业意义的催化过程: 在工业上实现接 触法生产硫酸
SO2 + O2 = SO3 --- H2SO4 cat. V2O5
将硫或硫化铁通空气在燃烧室煅烧生成二氧化硫然后在 五氧化二钒的催化作用下二氧化硫与氧气反应生成三 氧化硫再在吸收塔内用 98%的浓硫酸吸收生成发烟硫 酸。
1894年,德国科学家W.Ostwald 认为“催化剂是一 种可以改变化学反应速度,而不存在于产物中 的物质”.而这时接触法生产硫酸已工业化, 可见, 从一开始, 催化剂的应用就走在其理论 的前面.
1925年,由Taylor--活性中心学说 ---现代催化理 论的基础
现代催化理论
1. 中间化合物理论：（以后的20多年中，以均相反应为 基础）
催化原理
无机：合成氨、硝酸和硫酸 ，自然涉及Fe, Pt, V 2O5催化剂, 有机：生产甲醇、乙酸（甲醇+CO ）和苯乙烯（乙苯脱氢）就
会涉及Cu-Zn-Al ，Rh 络合物，Fe3O4-K2O-Cr 2O3； 分析：化学传感器； 生物化工：酶催化剂； 应用化学：合成高分子聚乙烯和聚丙烯用 TiX4-AlR3（X-卤
1926年 nCO +(n+m/2) H2 = CnHm +n H2O Fischer and Tropsch (FT Synthese) --1934年Ruhr建成, 奠定了用煤合成液体燃料的基 础，引发了由希特勒发动的二次世界大战。
环境催化技术
环境催化技术
环境催化技术是一种利用催化剂来促进化学反应，从而解决环境问题的方法。
在环境催化技术中，催化剂可以加速化学反应的速率，提高化学反应的效率，使有害物质被转化为无害或低害物质，从而达到解决环境问题的目的。
环境催化技术广泛应用于各种环境问题中，例如：废气处理：利用催化剂将有害气体转化为无害或低害物质，例如将汽车尾气中的一氧化碳和氮氧化物转化为二氧化碳和水蒸气。
废水处理：利用催化剂将废水中的有害物质转化为无害或低害物质，例如通过催化剂将废水中的重金属离子还原为金属单质或将其转化为沉淀物。
有机废弃物处理：利用催化剂将有机废弃物转化为能源或化工原料，例如通过催化剂将废弃物中的脂肪酸酯转化为生物柴油。
空气净化：利用催化剂将空气中的有害气体或污染物转化为无害或低害物质，例如将甲醛等有害气体在催化剂的作用下转化为无害物质。
环境催化技术的发展对于解决环境问题具有重要
的意义，它能够有效地降低有害物质的排放，提高资源利用率，减少环境污染，促进可持续发展。
环境催化原理
环境催化原理
催化是一种通过物质的参与，加速化学反应速率的方法。
环境催化是一种特殊的催化过程，其目的是在环境保护和绿色发展的理念下，提高化学反应的效率，并降低对环境的污染。
环境催化的原理主要涉及催化剂和反应物之间的相互作用。
催化剂通常是一种物质，能够降低反应的活化能，从而使反应在较低的温度和压力下进行。
在环境催化中，常用的催化剂包括金属催化剂、金属氧化物催化剂、酸碱催化剂等。
在催化过程中，催化剂与反应物通过物理吸附或化学吸附相互结合。
物理吸附是指催化剂表面与反应物之间的非化学键相互作用，例如范德华力和静电力。
化学吸附则涉及到更强的化学键的形成，例如共价键或离子键。
通过物理吸附或化学吸附，催化剂能够降低反应物的活化能，并提供反应中所需的活性位点。
催化剂与反应物形成反应中间体，在这些反应中间体的存在下，反应路径将发生改变，从而实现了反应速率的提高。
具体来说，反应中间体的形成可能会改变反应物之间的相对位置关系，或者提供一个更容易进行反应的键。
催化剂通过改变反应的活化能和反应路径，实现了对反应速率的调节。
环境催化在环境保护领域具有广泛的应用。
例如，催化剂可以用于净化废气中的有害物质，如二氧化硫、氮氧化物和挥发性有机化合物等。
此外，环境催化还可以用于水处理、废物处理和能源转化等领域。
总之，环境催化是一种通过催化剂与反应物之间的相互作用，在较低温度和压力下提高化学反应的速率的方法。
通过催化剂的作用，环境催化可以实现对反应速率的调节，从而在环境保护和绿色发展的理念下，提高化学反应的效率，并降低对环境的污染。
环境催化
上图形象地总结了目前环境催化的研究内容。 从上图可以看出，环境催化目前正由对污染的 消除转向对污染的预防。
对污染的控制方法
在对污染的控制方法上，主要可分为以下 ３种： （１）对污染的治理，如将污染物转化成无害 物质，或回收加以利用； （２）在生产过程或化学反应过程中减少污染 的排放，直至无污染排放； （３）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。
（５）贫燃时催化效率降低，使常规的 三效催化剂能控制 ＣＯ和 ＨＣ排放，但 几乎无法控制ＮＯx的排放。 （６）为控制 ＮＯx的排放可通过在尾气 处注入一种还原剂 ＮＨ３，使它在内燃 机中与 ＮＯx反应形成无害的物质，但此 种方法在实际中没有实用价值，因为若 控制不好，ＮＨ３本身就是一种污染物。
（７）热稳定性不高。大多数催化剂的热稳定 性还不甚理想，其耐热冲击能力弱，热抗震性 能差。 （８）最后，当前汽车广泛应用的催化剂大多 还是贵金属或贵金属掺杂其他金属氧化物型， 其成本仍然很高。 综上所述，提高涂层的热稳定性，弄清稳定机 理，提高净化器使用寿命；开发转化尾气中的 ＮＯx的技术和材料，提高低温活性和贫燃条 件下的 ＮＯx还原转化率；降低成本，减少贵 金属用量或开发以 Ｐｄ代 Ｐｔ技术等仍是目 前研究热点。
环境催化课件
在冷启动状态下，发动机要求极浓的混合气以利于启动，但这一阶 段因为混合气不能充分燃烧，所以废气中所含CO和HC的比例较高，如不 采取措施，这一过程将造成大量的排放污染。二次空气系统主要就是在这 一阶段工作。一方面可以降低冷启动阶段有害物质的排放，另一方面，再 次燃烧发出的热量可以使三元催化反应器很快达到所需的工作温度，大大 缩短了催化反应器的启动时间，极大地改善了冷启动阶段的排气质量。
三、汽车的净化措施
在汽车排出的成分中，CO、HC和NOx是主要的污染物质，因此，目前汽 车的排污标准和净化措施也旨在降低这三种成分和含量。为此在汽车上采取 了下列净化措施: (1)电子燃油喷射(EFI ),减少废气HC、CO和NOx的排放量; (2)三元催化装置(TWC ),减少废气HC、CO和NOx的排放量; (3)油箱蒸发物排放控制(EVAP ) ,减少HC气体排放量; (4)废气再循环( EGR),减少NOx排放量; (5)曲轴箱强制通风(PCV)，减少HC气体的挥发; (6)二次空气供给，减少HC、CO的排放量
环境催化
Environmental Catalysis
余江
环境催化与分离过程研究组
化工学院环境科学与工程系
2013 年 11 月 7日
Topic 4 汽车尾气的催化净化
Q1 环境催化与汽车尾气之间的渊源 Q2 汽车结构与污染源的产生关系 Q4 汽车使用与污染源的关系 Q5 汽车油品品质与油品的深度脱硫 Q6 汽车尾气的脱硝 Q7 汽车尾气污染控制的发展趋
4.2 二次空气供给系统
环保催化与环境友好催化技术模板
合肥学院HEFEI UNIVERSITY题目:环保催化与环境友好催化技术系别: 化学材料与工程专业: 化学工程与工艺学号: 1303021001 于晓飞 1303021012 陶伟1303021005 周胜1303021011 徐磊环保催化与环境友好催化技术摘要：本文提到了环境经济和环境有好的概念。
主要介绍了空气污染治理的催化技术、工业废液的催化净化技术、大气层保护与催化技术、环境友好的催化技术、光催化在环境科学中的应用和光催化环保功能材料.关键词：催化技术环保催化一．环境经济和环境友好环保治理要从根本上解决问题，就要将追求环保与具有竞争性的经济效益联系在一起，使产品生产和过程开发的企业领导从被动执行转自觉的行动，于是提出了环境经济。
针对传统的能源消耗，传统的化学工艺和化工生产技术造成的环境污染，提出了环境友好工艺。
二．空气污染治理的催化技术1．动能源的净化处理和三效催化剂动态源的污染处理，这里以汽车尾气处理为例。
汽车尾气的污染物已成为城市空气的主要污染源，对人类的健康造成了极大的伤害，也严重影响了生态环境。
汽车尾气净化采用的催化剂，目前广泛使用的是三效催化剂。
它在操作的条件下可同时将尾气中的CO、HC、NOx净化处理，达到环保要求的限制标准。
三效催化剂的构成主要由载体、涂层和活性组分所组成，置于汽车尾气催化转化器中。
（1）载体目前广泛使用的为块状式的载体。
材质有陶瓷和合金两大类。
最常用的陶瓷材料为多孔堇青石，组成：2MgO·2Al2O3·5SiO2）,材料本身主要由平均孔径为数微米的大孔构成整体制成蜂窝状。
这种载体的突出优点是抗热冲击性能优越，具有很低的热膨胀系数；合金载体有不锈钢、Ni-Cr、Fe-Cr-Al等材料。
外观为蜂窝状，内部由交错的平板和波纹状薄金属片构成。
这种载体材料的特点是机械强度大、传热快、抗震性好、压降低，寿命长等。
（2）涂层涂层材料必须满足以下要求：①有较高的热稳定性。
第5章环境保护催化与环境友好催化技术课件
2、NOx的催化还原脱除 -----选择性催化还原法 (SCR)
还原剂: NH3 还原产物: N2 和H2O 催化剂: 一般为过渡金属氧化物，负载于载体上 如TiO2/SiO2,V2O5/SiO2,MoO3/Al2O3等。
➢ 催化剂易热失效、中毒失效。热失效催化剂在高温作 用下发生烧结和晶粒长大，导致活性下降。
➢ 催化剂中毒失效可以分成化学中毒和机械中毒。高温 下催化剂的热劣化和S、P、Pb中毒极大地缩短了催 化剂的使用寿命。
➢ 冷启动问题，汽车尾气中60%～80%的有毒气体是在 冷启动2分钟内产生的，必须着手改善催化剂的低温 活性
环境催化的研究内容： ❖对污染的治理
将污染物转化成无害物质，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。
5.2 空气污染治理的催化技术
影响大气环境主要污染物： COx、NOx、 SOx、 VOCs（挥发
❖ 生物法、光催化法
5.6 光催化在环境科学中的应用
2、三效催化剂TWC （Three Way Conversion Catalyst)
三效催化剂： 以Pt-Pd-Rh为主催化剂，能同时有效
地对ＣＯ、ＨＣ和ＮＯX进行催化转化。
三效催化剂尾气净化原理
对车用三效催化剂的主要要求
➢ 起燃温度低，有利于降低汽车冷启动时的排气污 染物排放
➢ 有较高的储氧能力，以补偿过量空气系数的波动 ➢ 耐高2S、NH3等物质 ➢ 价格合适
环保催化与环境友好催化技术资料
合肥学院HEFEI UNIVERSITY题目:环保催化与环境友好催化技术系别: 化学材料与工程专业: 化学工程与工艺学号: 1303021001 于晓飞1303021012 陶伟1303021005 周胜1303021011 徐磊环保催化与环境友好催化技术摘要：本文提到了环境经济和环境有好的概念。
主要介绍了空气污染治理的催化技术、工业废液的催化净化技术、大气层保护与催化技术、环境友好的催化技术、光催化在环境科学中的应用和光催化环保功能材料.关键词：催化技术环保催化一．环境经济和环境友好环保治理要从根本上解决问题，就要将追求环保与具有竞争性的经济效益联系在一起，使产品生产和过程开发的企业领导从被动执行转自觉的行动，于是提出了环境经济。
针对传统的能源消耗，传统的化学工艺和化工生产技术造成的环境污染，提出了环境友好工艺。
二．空气污染治理的催化技术1．动能源的净化处理和三效催化剂动态源的污染处理，这里以汽车尾气处理为例。
汽车尾气的污染物已成为城市空气的主要污染源，对人类的健康造成了极大的伤害，也严重影响了生态环境。
汽车尾气净化采用的催化剂，目前广泛使用的是三效催化剂。
它在操作的条件下可同时将尾气中的CO、HC、NOx净化处理，达到环保要求的限制标准。
三效催化剂的构成主要由载体、涂层和活性组分所组成，置于汽车尾气催化转化器中。
（1）载体目前广泛使用的为块状式的载体。
材质有陶瓷和合金两大类。
最常用的陶瓷材料为多孔堇青石，组成：2MgO·2Al2O3·5SiO2）,材料本身主要由平均孔径为数微米的大孔构成整体制成蜂窝状。
这种载体的突出优点是抗热冲击性能优越，具有很低的热膨胀系数；合金载体有不锈钢、Ni-Cr、Fe-Cr-Al等材料。
外观为蜂窝状，内部由交错的平板和波纹状薄金属片构成。
这种载体材料的特点是机械强度大、传热快、抗震性好、压降低，寿命长等。
（2）涂层涂层材料必须满足以下要求：①有较高的热稳定性。
第九章环境保护催化与环境友好催化技术
环境友好催化技术案例分析
（1）分子筛催化技术
分子筛催化剂替代老催化剂
（2）洁净氧化技术
用清洁的、对环境友好的氧化剂O2、H2O2代替传统的氧 化剂K2Cr2O7、KMnO4、 ROOH（烷基过氧化物） （3）水相催化技术
用水代替多种有机溶剂
（4）溶剂催化技术
超临界流体介质（CO2、丙烷、H2O等）
T>300℃， NH3与O2反应显著 T<210 ℃，易生成亚硝铵和硝铵
2NH3+2NO2+2H2O——NH4NO2+ NH4NO3 易堵塞管道引起爆炸
脱NOx效率： 大于99%
电厂广泛采用此法脱NOx
催 化 剂： Pt——应用最早，最易中SO2的毒 热电厂——V2O5/SIO2、MoO3/Al2O3、WO3/Al2O3 燃气轮机——分子筛催化剂最好
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静态源净化处理催化技术
静态污染源： 发电、工业、民用排放气体等
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COx、NOx、SOx、NH3、粉尘、二悪英、烃
温 室 气 体： N2O，NO2、CO2，CH4、氯氟烃
——气候变暖、土壤沙漠化、光化学烟雾等
NO催化分解：高温下NO不稳定但分解速度很低，需催化分解
Pt/Al2O3及部分非负载型过渡金属氧化物也可催化
蜂窝状催化剂应用广泛
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5.3 工业废液的催化净化技术（CWAO） 废水污染：量极大、污染物复杂( 见图5-3） 催化处理：坚持4R原则
(reduction、reuse、recycling、recovery） WAO法：（Wet Air Oxidation——湿空气氧化法） 优 点： 作为清洁氧化剂，适用于COD10-100g/L体系
第五章环境催化
⑤淡水资源紧缺和污染；
⑥土地退化和沙漠化； ⑦森林面积锐减； ⑧生物多样性减少； ⑨环境公害； ⑩有毒化学品和危险废物的排放；
二 治理环境污染的一些热点催化课题
（一）、富氧条件下消除NOx
NOx（包括NO、NO2和N2O等）主要来自煤和油 料的燃烧。全世界人为排放NOx的总量每年近亿吨。 NOx可形成酸雨，破坏高空臭氧层以及引起温室效应， 所以消除NOx可说是重中之重。消除NOx的主要催化 方法如下：
四 其他
（一）光降解和生物降解塑料
以往处理所谓白色污染的塑料废物，都关于填 埋和焚烧。这两种处理方法分别带来对环境的污染。 我国八五科技攻关的一项重大成果就是生产光-生物 双降解塑料。韩国一科研单位应用转基因技术从生产 效率高的细菌中得到遗传基因转移到大肠杆菌中，使 其大量繁殖，得到大量的高分子材料，用来制造可自 然分解的塑料。但目前存在的价格问题仍需解决。
（六）低层大气中臭氧的催化消除
众所周知，高层大气中的臭氧浓度逐渐下降。相 反，在近地面大气中臭氧的浓度却逐年增加。造成这 种现象的原因，主要是工业排放的碳氢化合物与NOx 发生光化学反应生成臭氧（O3）。为了催化消除臭氧 常用一些过渡金属氧化物作为催化剂而使O3分解出 O2。例如，负载于玻璃布或陶瓷载体上的MnO2是有 效消除O3的催化剂
（二）SOx的消除及一步法同时消除NOx和 SOx的混合物
SOx（SO2和SO3）同样是酸雨的主要来源，主要来自含硫 燃料（煤和石油）的燃烧。其他的生产过程，如含硫矿石的加 工和应用含硫化合物进行生产的化工厂排放的废气等，也都是 SOx的来源。但目前尚无被广泛接受的既省钱又高效消除SOx的 技术。已经出现的治理SOx的催化方法有： 1）以活性氧化铝或铁基催化剂作催化剂，以H2S同SOx反 应生成H2O和单质S，但这种方法产生一定量的S，而且还需要 使用H2S。如果不解决未反应的H2S的回收利用问题，则导致新 的污染。 2）以V2O5为催化剂将SO2氧化为SO3，再经H2O吸收生成硫 酸，这个方法成本依然很高。