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稀土催化剂在环保领域的应用

发布日期:2019-06-02   来源:矿道网   投稿者:易师 刘荣丽   浏览次数:1069

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稀土催化剂在环保领域的应用

3.1 稀土催化剂在汽车尾气中的应用

在我国大中型城市, 特别是在北京、上海、广州等地, 汽车尾气排放已成为主要的大气污染源。在北京市大气污染物排放总量中, 平均有83%的一氧化碳、74%的碳氢化合物, 以及41%的氮氧化物是由汽车尾气排放形成的。汽车尾气治理产品在20世纪70年代前主要使用三元贵金属 (Pt、Pd、Rh) 催化剂, 尽管这类催化剂具有催化活性高、净化效果好和使用寿命长等特点, 但是因其价格昂贵, 且负载催化剂的氧化铝载体热稳定性易受影响, 因而限制了其广泛使用。稀土凭借其独特的物化性质, 能够提高催化剂载体的热稳定性和机械强度, 贵金属的分散度、改善催化剂的储氧能力[1]等, 在汽车尾气净化方面起着重要的作用
       
        稀土元素作为三元催化剂的助剂, 在实际使用过程中发现, 它们之间是相互协同作用的。通过与贵金属相互作用提高其活性, 并改善了CO在贵金属表面上的动力学反应性能。另外, Zr O的引入也起着至关重要的作用, 它是三元催化剂中典型的Rh和Ce稳定剂。稀土La2O3的添加改善了载体Al2O3的高温高比表面积性能;而Ce O2的引入则明显提高了CO和NOx的催化转化活性, 对HC的转化无影响, 促进了催化剂的抗硫、水、热老化性能, 并且显著地拓宽了催化剂的三效窗口

, 为稀土材料在环境催化领域的应用和发展开创了新的方向。如将Al2O3粉体材料制成30nm左右的纳米级材料, 再用80nm左右的稀土纳米添加剂进行改性, 可明显改善催化剂活性, 提高汽车尾气净化器的寿命。

3.2 稀土催化剂在烟气脱硫脱硝中的应用

近年来, 由于燃煤的大量开采和直接燃烧, 致使大气中的SO2和NOx含量不断呈上升趋势, “酸雨”现象时有发生。因此, 解决燃煤烟道气的脱硫脱硝问题已成为各国研究的热点。

日本用稀土进行了煤的催化气化研究, 用硝酸镧、硝酸铈、硝酸钐负载在原煤上的气化率比过去用的硝酸钠明显提高。刘勇健等人[5]采用稀土型 (主要为镧和铈) 脱硫剂对模拟烟道气进行了脱硫实验, 结果发现, 稀土型脱硫剂易发生脱硫反应的温度区间较宽, 为150℃~200℃, 与实际烟道气温度 (160℃左右) 比较吻合, 而且其脱硫效率可达90%左右;脱硫剂也可以再生重复使用。

除SO2外, NOx也是工业源排放污染物的主要成分。去除NOx的催化剂主要有贵金属、过渡金属、钙钛矿和混合氧化物等。但SO2可能与催化剂反应生成硫酸盐, 使催化剂中毒。于是便开发出高抗SO2中毒能力的Cu-Ce复合催化剂。另外, 国外研究者发现稀土 (Ce、Tb、Er) 能极大地加强催化还原NOx的热稳定性, 抑制催化剂比表面积的减少及提高催化剂活性[6]

单组分稀土氧化物、Ce O2-La2O3复合氧化物以及La2O2S催化剂上同步催化还原SO2和NOx均得到了较高的脱硫、脱硝转化率。在实际烟气中, 氧气的存在可能使催化剂失活而导致SO2和NOx的转化率和选择性降低。因此探讨催化剂的耐氧性在实际应用中显得如此重要。周金海等研究发现, 稀土材料La2O3-Ce O2/γ-Al2O3催化剂[7]有一定的耐氧脱硫性能, 在含氧气氛下催化还原脱硫脱硝技术的研究上具有较大的发展前景。

3.3 稀土催化剂在室内空气净化中的应用

 

近年来室内环境污染问题越来越严重, 各种建筑材料和室内装潢涂料的使用所造成的甲醛等化学污染, 严重影响了人体健康, 提高室内空气质量已成为居民的迫切需要。目前, 室内空气净化有效的手段是室温条件下的光催化氧化技术, 以半导体Ti O2为光催化剂的光催化技术研究受到很多关注。光催化氧化反应作为一种深度的氧化过程。但是TiO 2的禁带能Ex为3.2e V, 只有波长小于38nm的光子才能使之激发。利用太阳能的效果较差。因此, 研制吸收光与太阳光波长较为匹配的光催化剂成为该领域的关键。稀土因其特殊的结构和性质, 在提高Ti O2光催化性能上起到重要作用。稀土具有复杂的能级结构和光谱特性, 对纳米Ti O2的掺杂改性有特殊意义, 稀土作为助催化剂改善了光催化剂的改性、敏化、活化和稳定性, 稀土复合物钙钛矿、铌酸盐类复合氧化物等在光催化剂中起了重要作用。

3.4 稀土催化剂在焦化污水净化中的应用

焦化污水是从具有上万种组分的煤焦油及荒煤气等煤的干馏产物中分离产生出来的工业污水。其组分不仅含有大量无机物 (如氨、硫化物、氰化物、氯离子、硫氰离子, 以及硅、钙、铁、硼、镁、钾、钠、锗等元素的化合物) , 而且含有大量的有机物 (如酚、甲酚等酸性有机物, 以及吡啶、苯胺等碱性含氮有机物) , 并含有大量芳烃。目前, 对焦化污水的处理技术大多采用普通生化法, 这种方法虽然能有效去除酚、氰, 使焦化污水达到排放标准。但随着人们对环境认识的不断深入, 国家对环保的要求也日趋严格, 该方法已难满足新的环保要求, 且其净化效率也有待提高。

 

湿式催化氧化是处理焦化污水的现代净化技术, 该方法是污水在高温、高压下保持液相状态, 通入空气, 通过催化剂作用, 对污染物进行彻底的氧化分解, 使之转化为无害物质, 从而使污水得到深度净化的方法。稀土催化剂在此净化方法中得到广泛应用。国内研制的新型高效双组分催化剂 (贵金属与稀土元素) 在反应压力为8.0MPa, 温度为280℃, 空速在一定值时, 对焦化的剩余氨水 (未经蒸氨等处理) 进行了处理, 处理效果十分显著[4] 

3.5 稀土催化剂在其他领域的应用

稀土催化剂作为环境友好材料, 除在汽车尾气治理、烟气脱硫脱硝、室内空气净化、焦化污水净化等领域外, 在催化裂化、燃料电池等行业中也得到广泛应用。

催化裂化是石油加工的重要过程, 近年来, 随着石油需求量的激增和环境保护对燃油质量的要求日益严格, 对催化裂化催化剂性能有了更高要求。运用稀土沸石催化剂进行石油催化裂化, 具有原油处理量大、轻质油收率高、质量好、活性高、生焦率低、催化剂损耗低、选择性好等诸多优点[8]

燃料电池能量转化效率高, 污染物超低或零排放, 是21世纪高效、低污染的绿色能源。稀土氧化物具有良好的离子和电子导电性, 对改善固体氧化物燃料电池的性能有着无法取代的作用。通过选择合适的氧化物组成, 可提高电极材料的离子导电率, 降低氧还原的活化能。

 

 

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