微波催化技术进展

微波催化技术进展

摘要：阐述了微波诱导催化技术的基本原理，归纳了微波诱导催化技术在大气污染控制、水污染控制、固体废弃物处理与处置等污染治理中的应用状况及应用

实例，展望了微波诱导催化技术在污染治理领域中的应用前景。

关键词: 微波诱导催化技术；环境；应用

Abstract :This article expounds the basic principle of microwave induced catalytic technology, summarizes the conditions and examples in the application of air pollution control and water pollution control, solid waste treatment and disposal pollution control about the microwave induced catalytic technology ,and forecast the application prospect of microwave induced catalytic

technology in the field of pollution control.

Key words:Microwave induced catalytic technology; environment; application;

引言

20 世纪以来，人类对资源和环境的破坏是前所未有，可以说当今重大的环境问题几乎都与化学品的生产有直接或间接的关系。在本世纪初，环境与发展间题是世界各国共同面临的两难选择，也是21世纪人类所面临的严峻挑战，而环境问题的解决最终要依靠绿色化学[1-4]。可以说，谁在实现化学绿色化和绿色植物的化学转化技术方面领先，谁就会在21世纪中叶的世界经济竞争中占据有利位置。

绿色化工技术的研究与开发主要是围绕“原子经济”反应、提高化学反应的选择性、采用无毒无害原料、催化剂和溶剂及环境友好产品开展的。如图1所示。

在传统生产方法中，很多大宗化学品和一些特殊化学品主要是通过非催化有机合成生产的，这就导致了除目的产物外，还有20～100 种废物产生。当然还有一些其他因素，如分子的复杂性使合成步骤很多以及对精细化学品高纯度要求等都是造成不良生态环境的原因。随着化工技术的飞速发展，催化技术在大宗化学品和特殊化学品生产中的应用逐渐增加[5]。

1 化学反应与催化技术

早在公元前，中国已会用酒曲（生物酶催化剂）造酒。18世纪中叶，铅室法制硫酸中用一氧化氮作催化剂是工业上采用催化剂的开始。催化这个词是1835年J.J.贝采利乌斯引用到化学学科中来的。1902年W.奥斯特瓦尔德将催化定义为：“加速化学反应而不影响化学平衡的作用。”1910年实现合成氨的大规模生产，是催化工艺发展史上的里程碑。20世纪以来，催化工艺迅速发展，例如，20年代研究成功用钴催化剂由一氧化碳和氢合成液体燃料的费-托法；1955年研究成功齐格勒-纳塔催化剂，用于烯烃定向聚合；现代化学工业和炼油工业的生产过程，已有80%以上使用了催化方法。

化学反应物要想发生化学反应，必须使其化学键发生改变，改变或者断裂化学键需要一定的能量支持，能使化学键发生改变所需要的最低能量阈值称之为活化能，而催化剂通过降低化学反应物的活化能而使化学反应更易进行，且大大提高反应速率。

催化即通过催化剂改变反应物的活化能，改变反应物的化学反应速率，反应前后催化剂的量和质均不发生改变的反应[1]。

2 催化种类

均相催化：催化剂与反应物同处于均匀物相中的催化作用。有液相和气相均相催化。均相催化剂的活性中心比较均一，选择性较高，副反应较少，易于用光谱、波谱、同位素示踪等方法来研究催化剂的作用，反应动力学一般不复杂。但均相催化剂有难以分离、回收和再生的缺点。

多相催化：多相催化发生在两相的界面上，通常催化剂为多孔固体，反应物为液体或气体。若要催化反应进行，必须至少有一种反应物分子在催化剂表面上发生化学吸附。固体催化剂表面是不均匀的，表面上只有一部分点对反应物分子起活化作用，这些点被称为活性中心[2]。

复相催化：复相催化是一独立的化学反应。它兼有均相催化的温度和多相催化的速度。同时具有可控的方向性。由于催化能力倍增，使其可从碳水化合物中移动氢氧，而这正是把工业和生物废弃物“一步法”转化为标准汽柴油的科学基础。列如：二氧化碳+ 废塑料轮胎—》汽柴油+可燃气+炭黑既解决了空中环境堵塞，又将地面废弃物转化为能源。

生物催化：酶是一种生物催化剂，生物体内的所有化学变化几乎都是在酶催

化下进行的，酶的催化作用称为生物催化。酶的催化活性高，选择性强[3-4,6,8]。

金属催化：金属催化剂主要用于脱氢和加氢反应。有些金属还具有氧化和重整的催化活性。金属催化剂主要是指4、5、6周期的某些过渡金属，如铁、金、铂、钯、铑、铱等。金属催化剂的化学吸附能力和d轨道百分数是决定催化活性的主要因素。

金属氧化物催化：主要是指过渡金属氧化物催化，非过渡金属氧化物催化已归入酸碱催化。过渡金属氧化物催化剂广泛用于氧化、加氢、脱氢、聚合、加合等反应。金属氧化物催化剂的导电性和逸出功、金属离子的d电子组态、氧化物中晶格氧特性、半导体电子能带、催化剂表面吸附能力等，都与催化剂的催化活性有关。

配位（络合）催化：金属、特别是过渡金属及其化合物有很强的络合能力，能形成多种类型的络合物。过渡金属络合催化作用一般都是配位（络合）催化作用，即催化剂在其空配位上络合活化反应物分子。络合催化剂一般都是金属络合物或化合物，如钯、铑、钛、钴的络合物等。

酸碱催化：阿伦尼乌斯酸碱、布仑斯惕酸碱、路易斯酸碱（见酸碱理论）的催化作用都属酸碱催化作用。

多功能催化：若反应物A直接变成产物B的反应难以进行，则可通过几个催化化学反应来实现[4-9]。

3 微波催化基础

许多有机化合物都不直接明显地吸收微波，但可利用某种强烈吸收微波的“敏化剂”把微波能传给这些物质而诱发化学反应，这一概念已被用作诱发和控制催化反应的依据。如果选用这种“敏化剂”作催化剂或催化剂的载体，就可在微波辐照下实现某些催化反应，这就是所谓的微波诱导催化。区别于通常所说的由于微波热效应而使反应加速的情况，微波热效应没有催化剂参与，而诱导催化则是微波通过催化剂或其载体发挥其诱导作用，即消耗掉的微波能用于诱导催化反应，所以称其为微波诱导催化反应。研究结果已证实微波辐照能促进很多化学反应的发生。目前，微波诱导催化技术已在大气污染控制、水污染控制及固体废弃物处理与处置等环境治理领域取得了显著效果[9-13]。

微波是一种电磁波，其可以对物体内外同时加热。微波加热速度快、效率高且无温度梯度，无滞后效应。正因为微波催化技术拥有这些优点，所以其应用广泛，如微波辐射诱导催化反应、微波辐射负载催化组分、微波辐射煅烧催化剂和微波辐射制造环保用活性炭[5]。