降解臭氧協(xié)同去除VOCs的催化劑及其制備方法和應(yīng)用

余旭冬

（南京中電環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇南京 211102）

目前市場(chǎng)上很多室內(nèi)空氣凈化器采用光催化或等離子體技術(shù)去除室內(nèi)的VOCs，這類(lèi)空氣凈化器不可避免會(huì)產(chǎn)生臭氧，另有一些空氣凈化器采用靜電除塵技術(shù)，也不可避免會(huì)產(chǎn)生臭氧。低濃度的臭氧對(duì)人體并不會(huì)產(chǎn)生危害，但隨著臭氧濃度的富集，較高濃度的O3會(huì)對(duì)人體的呼吸道造成損傷，破壞人的免疫系統(tǒng)，加速衰老等，引發(fā)多種疾病，中華人民共和國(guó)環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中O3在空氣中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)濃度為0.2mg/m3。為了在去除VOCs的同時(shí)避免臭氧富集問(wèn)題，開(kāi)發(fā)一種降解臭氧協(xié)同去除VOCs的催化劑成為空氣凈化器廠家的研究課題。過(guò)渡金屬（錳、鐵等）、稀土金屬（鑭、鈰等）、貴金屬（鉑、銀等）對(duì)于VOCs和O3降解均有一定催化作用，所以基于此進(jìn)行研究。在實(shí)驗(yàn)室制備鐵、錳、鈰等金屬的氧化物作為催化劑，催化劑負(fù)載在蜂窩活性炭上，氧化錳（Mn/AC）為主活性組分，以鐵、鈰等金屬氧化物為助活性組分，進(jìn)行幾組實(shí)驗(yàn)，分析多種金屬氧化物對(duì)于協(xié)同降解VOCs和O3的作用，由于VOCs組分較多，僅列出室內(nèi)最常見(jiàn)的甲苯和甲醛的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)一

1.1 催化劑制備

采用煅燒法制備，以50%硝酸錳水溶液、硝酸鈰、硝酸鐵、蜂窩活性炭為原料，按照錳氧化物、氧化鐵和氧化鈰負(fù)載量分別為7%、5%和0.1%的比例配制1.5%的溶液，通過(guò)過(guò)量浸漬活性炭烘干后，在400℃溫度下，置于管式爐中氮?dú)夥諊蚂褵?h，得到顆料狀催化劑，取50目顆粒度催化劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為固定床反應(yīng)器，反應(yīng)溫度為25℃，催化劑用量約0.2L。初始?xì)怏w濃度為：[O3]=5mg/m3，[甲醛]=1mg/m3，[甲苯]=1mg/m3，N2為載氣，GHSV（每小時(shí)氣體空速）=100 000h-1時(shí)，O3脫除效率為86.2%，甲醛脫除效率為92.0%，甲苯的脫除率為69.5%。

2 實(shí)驗(yàn)二

2.1 催化劑制備

采用煅燒法制備，以50%硝酸錳水溶液、硝酸鈰、硝酸鈷、蜂窩活性炭為原料，按照錳氧化物、氧化鈷和氧化鈰負(fù)載量分別為9.5%、0.9%和1.5%的比例配制1.5%的溶液，通過(guò)過(guò)量浸漬活性炭烘干后，在400℃溫度下，置于管式爐中氮?dú)夥諊蚂褵?h，得到顆料狀催化劑，取50目顆粒度催化劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為固定床反應(yīng)器，反應(yīng)溫度為25℃，催化劑裝填量為0.2L。初始?xì)怏w濃度為：[O3]=5mg/m3，[甲醛]=1mg/m3，[甲苯]=1mg/m3，N2為載氣，GHSV（每小時(shí)氣體空速）=100 000h-1時(shí)，O3脫除效率為91.2%，甲醛脫除效率為91.2%，甲苯的脫除率為68.2%。

3 實(shí)驗(yàn)三

3.1 催化劑制備

采用浸漬煅燒法制備，以50%硝酸錳水溶液、硝酸鈰、蜂窩活性炭為原料，按照錳氧化物和氧化鈰負(fù)載量為10%和2%的比例配制1.5%的溶液，通過(guò)過(guò)量浸漬活性炭烘干后，在320℃溫度下，置于管式爐中氮?dú)夥諊蚂褵?2h，得到顆料狀催化劑，取50目顆粒度催化劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為固定床反應(yīng)器，反應(yīng)溫度為25℃，催化劑裝填量為0.4L。初始?xì)怏w濃度為：[O3]=5mg/m3，[甲醛]=1mg/m3，[甲苯]=1mg/m3，N2為載氣，GHSV（每小時(shí)氣體空速）=50 000h-1時(shí)，O3脫除效率為95.5 %，甲醛脫除效率為97.5%，甲苯的脫除率為79.2%。

4 實(shí)驗(yàn)四

4.1 催化劑制備

采用煅燒法制備，以50%硝酸錳水溶液、硝酸鈰、硝酸鐵、蜂窩活性炭為原料，按照錳氧化物、氧化鐵和氧化鈰負(fù)載量分別為7.5%、3.5%和1%的比例配制1.5%的溶液，通過(guò)過(guò)量浸漬活性炭烘干后，在350℃溫度下，置于管式爐中氮?dú)夥諊蚂褵?h，得到顆料狀催化劑，取50目顆粒度催化劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4.2 實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為固定床反應(yīng)器，反應(yīng)溫度為25℃，催化劑裝填量為0.4L。初始?xì)怏w濃度為：[O3]=5mg/m3，[甲醛]=1mg/m3，[甲苯]=1mg/m3，N2為載氣，GHSV（每小時(shí)氣體空速）=50 000h-1時(shí)，O3脫除效率為98.6%，甲醛脫除效率為99.2%，甲苯的脫除率為89.3%。

5 實(shí)驗(yàn)五

5.1 催化劑制備

采用煅燒法制備，以50%硝酸錳水溶液、硝酸鑭、硝酸鈷、蜂窩活性炭為原料，按照錳氧化物、氧化鈷和氧化鑭負(fù)載量分別為5%、4.5%和2%的比例配制1.5%的溶液，通過(guò)過(guò)量浸漬活性炭烘干后，在400℃溫度下，置于管式爐中氮?dú)夥諊蚂褵?h，得到顆料狀催化劑，取50目顆粒度催化劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

5.2 實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為固定床反應(yīng)器，反應(yīng)溫度為25℃，催化劑裝填量為0.4L。初始?xì)怏w濃度為：[O3]=5mg/m3，[甲醛]=1mg/m3，[甲苯]=1mg/m3，N2為載氣，GHSV（每小時(shí)氣體空速）=50 000h-1時(shí)，O3脫除效率為93.6%，甲醛脫除效率為90.2%，甲苯的脫除率為79.5%。

6 實(shí)驗(yàn)六

6.1 催化劑制備

采用煅燒法制備，以50%硝酸錳水溶液、硝酸鎳、硝酸鈰、蜂窩活性炭為原料，按照錳氧化物、氧化鎳和氧化鈰負(fù)載量分別為8%、3%和1%的比例配制1.5%的溶液，通過(guò)過(guò)量浸漬活性炭烘干后，在400℃溫度下，置于管式爐中氮?dú)夥諊蚂褵?h，得到顆料狀催化劑，取50目顆粒度催化劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

6.2 實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為固定床反應(yīng)器，反應(yīng)溫度為25℃，催化劑裝填量為0.4L。初始?xì)怏w濃度為：[O3]=5mg/m3，[甲醛]=1mg/m3，[甲苯]=1mg/m3，N2為載氣，GHSV（每小時(shí)氣體空速）=50 000h-1時(shí)，O3脫除效率為96.5%，甲醛脫除效率為98.9%，甲苯的脫除率為83.3%。

從以上實(shí)驗(yàn)可以看出，

（1）催化劑用量少，空速高，成本低，但效率也低；催化劑用量大，空速低，效率高，但成本高，系統(tǒng)阻力也大，因此選擇合適的空速達(dá)到最佳的平衡點(diǎn)很重要。

（2）在催化劑中添加少量的鑭、鈰的氧化物，可以提高O3和VOCs的降解率，尤其是甲苯的降解率，有顯著提高。

（3）在催化劑中僅有錳和鈰的氧化物時(shí)，催化劑對(duì)于O3和VOCs的降解率對(duì)比添加少量鐵的氧化物催化劑的降解率差距明顯，表明多種金屬氧化物的協(xié)同作用比單一或兩種成分對(duì)臭氧和VOCs的降解效果要好。

（4）從實(shí)驗(yàn)可以看出最佳催化劑各組分比例范圍（建議值）：錳氧化物5%～10%，非錳過(guò)渡金屬氧化物1%～5%，鑭系金屬氧化物0.1%～2%，活性炭83%～94%

7 結(jié)束語(yǔ)

過(guò)渡金屬和稀土金屬對(duì)于O3和VOCs的協(xié)同降解有顯著的催化作用，且不需要額外的動(dòng)力，在常溫下即可進(jìn)行，在光催化或者等離子體技術(shù)作為核心的空氣凈化器中增加此催化劑制成的模塊，可以進(jìn)一步提高VOCs降解率，消除因?yàn)楣獯呋虻入x子體技術(shù)產(chǎn)生的絕大部分的O3，進(jìn)一步提高室內(nèi)空氣質(zhì)量，在采用靜電除塵技術(shù)的空氣凈化器產(chǎn)品中也可以增加此模塊，降解產(chǎn)生的O3，同時(shí)也可以去除空氣中的VOCs。

另外在現(xiàn)代生活中，很多精裝修樓盤(pán)往往預(yù)裝了新風(fēng)系統(tǒng)，在小區(qū)周邊環(huán)境比較好的情況下，不需要在室內(nèi)采用空氣凈化器即可置換室內(nèi)空氣，達(dá)到良好的室內(nèi)空氣環(huán)境。但因?yàn)槌鞘袛U(kuò)張的原因，原來(lái)有些遠(yuǎn)離小區(qū)的重污染排放企業(yè)附近有新小區(qū)不斷開(kāi)發(fā)，而目前國(guó)家對(duì)于工廠VOCs排放標(biāo)準(zhǔn)仍很低，往往會(huì)出現(xiàn)工廠排放滿(mǎn)足最新的國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，但居民仍能聞到明顯的異味而頻頻投訴的問(wèn)題，對(duì)于這種情況，在新風(fēng)系統(tǒng)中預(yù)裝VOCs處理模塊并增加此催化劑模塊也很有必要。