工业催化-5.ppt

8 环境催化环境催化环境催化的特点和研究内容环境催化的特点和研究内容机动车尾气净化催化技术机动车尾气净化催化技术催化燃烧催化燃烧CO2和氟氯烃的催化治理和氟氯烃的催化治理清洁燃料的生产和环境友好催清洁燃料的生产和环境友好催化技术的开发化技术的开发18.1 环境催化的特点和研究内容环境催化的特点和研究内容u环境催化的特点：环境催化的特点：反应条件取决于上游单元无法自反应条件取决于上游单元无法自由调节由调节涉及的范围广涉及的范围广反应条件苛刻反应条件苛刻28.1 环境催化的特点和研究内容环境催化的特点和研究内容u环境催化对催化剂的要求：环境催化对催化剂的要求：要求处理的有害物质含量低要求处理的有害物质含量低 催化催化剂剂具有极高的催化效率具有极高的催化效率要求处理气体或液体的量很大要求处理气体或液体的量很大 催化催化剂剂具有高活性和具有高活性和强强度度38.1 环境催化的特点和研究内容环境催化的特点和研究内容u环境催化对催化剂的要求：环境催化对催化剂的要求：要求处理的有害物质组成复杂要求处理的有害物质组成复杂 催化剂抗毒性能强、化学稳定催化剂抗毒性能强、化学稳定性高、选择性好性高、选择性好要求处理的有害物质的反应条件变动剧烈要求处理的有害物质的反应条件变动剧烈 在很宽的反应条件下具有高活性、在很宽的反应条件下具有高活性、高强度和高稳定性高强度和高稳定性不产生二次污染，价格便宜不产生二次污染，价格便宜48.1 环境催化的特点和研究内容环境催化的特点和研究内容u环境催化的研究内容环境催化的研究内容环境保护催化：污染物的治理环境保护催化：污染物的治理机动车尾气净化催化技术机动车尾气净化催化技术大气中氮氧化物、硫化物和可挥大气中氮氧化物、硫化物和可挥发性有机物的脱除、转化发性有机物的脱除、转化温室气体的消除和转化温室气体的消除和转化环境友好催化：减少污染物的排放环境友好催化：减少污染物的排放58.2 机动车尾气净化催化技术机动车尾气净化催化技术一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、颗粒物一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、颗粒物机内净化：改善发动机燃烧状况，降低机内净化：改善发动机燃烧状况，降低有害物的生成。有害物的生成。机机外外净净化化热反应器热反应器催化反应器催化反应器6汽油机尾气净化催化技术汽油机尾气净化催化技术三效催化剂三效催化剂三三效效催催化化剂剂尾气净化原理尾气净化原理三效催化剂的组成三效催化剂的组成三三效效催催化化剂剂存在的问题及对策存在的问题及对策7汽油机尾气净化催化技术汽油机尾气净化催化技术三效催化剂三效催化剂20世纪世纪70年代年代 CO及及CHx Pt-Pd20世纪世纪80年代年代 NOx Rh同时能将同时能将CO、CHx及及NOx有效地进行催化转化有效地进行催化转化三效催化剂三效催化剂 Pt-Pd-RhThree Way Conversion Catalyst(TWC)8汽油机尾气净化催化技术汽油机尾气净化催化技术对三效催化剂的要求对三效催化剂的要求u起燃温度低起燃温度低u较高的储氧能力较高的储氧能力u耐高温、不易老化耐高温、不易老化u对杂质不敏感，不易中毒对杂质不敏感，不易中毒u极少产生极少产生H2S、NH3等物质等物质u价格合理价格合理9汽油机尾气净化催化技术汽油机尾气净化催化技术三三效效催催化化剂剂尾气净化原理尾气净化原理NOx的还原的还原NOCO0.5N2CO2NOH20.5N2H2OCO及及CHx的氧化的氧化CO0.5O2CO24CH5O24CO22H2O最佳空燃比最佳空燃比为为14.610汽油机尾气净化催化技术汽油机尾气净化催化技术三三效效催催化化剂剂的组成的组成活性组分活性组分：Pt、Pd和和Rh载体载体第一载体：堇青石第一载体：堇青石(多孔陶瓷多孔陶瓷)第第二二载载体体：-Al2O3 助助剂剂(稀土、碱土和稀土、碱土和过过渡金属渡金属)11汽油机尾气净化催化技术汽油机尾气净化催化技术活性组分活性组分：Pt、Pd和和RhPt、Pd：氧化：氧化CO和和CHxPd氧化氧化CO和不饱和烃的活性及耐热和不饱和烃的活性及耐热稳定性好于稳定性好于Pt，但氧化饱和烃及抗中，但氧化饱和烃及抗中毒能力不如毒能力不如Pt。Rh：还原还原NOx12汽油机尾气净化催化技术汽油机尾气净化催化技术载体载体第一载体：堇青石第一载体：堇青石(多孔陶瓷多孔陶瓷)金属整体材料金属整体材料压力降低，强度高、比表面压力降低，强度高、比表面积大，适合高温条件。积大，适合高温条件。优点：热性能好优点：热性能好缺点：成本高、重量大缺点：成本高、重量大13汽油机尾气净化催化技术汽油机尾气净化催化技术第第二二载载体体：-Al2O3高温不稳定，在高温不稳定，在800以以上会转化成无活性、比表上会转化成无活性、比表面积很小的面积很小的-Al2O3。14汽油机尾气净化催化技术汽油机尾气净化催化技术助助剂剂的作用的作用u提高提高-Al2O3的的热稳热稳定性、减少比定性、减少比表面的表面的损损失失u提高提高贵贵金属的分散度，防止金属金属的分散度，防止金属聚集聚集u促促进进水煤气水煤气变换变换反反应应15汽油机尾气净化催化技术汽油机尾气净化催化技术助剂的作用助剂的作用uCeOx的储放氧性能：扩大操作弹性的储放氧性能：扩大操作弹性2CeO2 Ce2O3+0.5O216汽油机尾气净化催化技术汽油机尾气净化催化技术三三效效催催化化剂剂存在的问题存在的问题低温活性差低温活性差(6080%的有毒气的有毒气体在冷启动时产生体在冷启动时产生)催化剂易催化剂易热失效、中毒失效热失效、中毒失效NOx催化还原效率较差催化还原效率较差成本较高成本较高178.2.2 柴油机尾气净化催化技术柴油机尾气净化催化技术主要污染物：主要污染物：NOx、颗粒物、颗粒物空燃比高达空燃比高达20，三效催化剂不适用，三效催化剂不适用氧化型催化转换器：氧化型催化转换器：Pt、Pd等贵金属等贵金属lHxC、CO减少减少50l颗粒粉尘减少颗粒粉尘减少50-70l多环芳烃及硝基多环芳烃明显减少多环芳烃及硝基多环芳烃明显减少l有效减少排气的臭味有效减少排气的臭味188.2.2 柴油机尾气净化催化技术柴油机尾气净化催化技术NOx催催化化转转换换器器：催化热分解：催化热分解：2NON2+O2选择性催化还原：喷入烃和选择性催化还原：喷入烃和NH36NO+4NH35N2+6H2O6NO2+8NH37N2+12H2O4NO2+CH44NO+CO2+2H2O4NO+CH42N2+CO2+2H2O198.3 催化燃烧催化燃烧燃烧燃烧燃料燃料的燃的燃烧烧：煤、油煤、油：产生大量：产生大量CO、CO2、CHx、NOx、SOx等等 天然气：天然气：CO、CHx少；少；CO2少少 有机废气有机废气的燃烧的燃烧208.3 催化燃烧催化燃烧火焰燃烧火焰燃烧温度高，容易生成温度高，容易生成NOx燃烧不完全，产生燃烧不完全，产生CO及致癌的及致癌的CHx。催化燃烧催化燃烧降低燃烧温度，促进完全燃烧，改善燃降低燃烧温度，促进完全燃烧，改善燃烧过程。烧过程。218.3 催化燃烧催化燃烧NOx生成量显著减少生成量显著减少氧化反应温度低，大大抑制空气中氧化反应温度低，大大抑制空气中的的N2氧化成氧化成NOx。催化剂的选择性催化作用，限制燃催化剂的选择性催化作用，限制燃料中的含氮化合物的氧化过程，使料中的含氮化合物的氧化过程，使其主要生成其主要生成N2。228.3 催化燃烧催化燃烧催化燃烧催化剂催化燃烧催化剂贵金属催化剂贵金属催化剂(Pd、Pt)u优点：活性高、抗硫性好优点：活性高、抗硫性好u缺点：高温易烧结、价格昂贵缺点：高温易烧结、价格昂贵氧化物催化剂氧化物催化剂u单一氧化物单一氧化物:CuO、CoOx、MnOx等等u复合氧化物复合氧化物:钙钛矿型钙钛矿型(ABO3):LaMnO3 尖晶石型尖晶石型(AB2O4):CuMn2O48.4 CO2和氯氟烃的催化治理和氯氟烃的催化治理8.4.1 CO2的催化利用的催化利用8.4.2 氯氟烃氯氟烃的催化治理的催化治理248.4.1 CO2的催化利用的催化利用过去过去300年来大气中年来大气中CO2浓度的变化浓度的变化258.4.1 CO2的催化利用的催化利用表表 15个排放个排放CO2较多的国家较多的国家268.4.1 CO2的催化利用的催化利用l减排减排l回收：化学吸收、膜分离技术等回收：化学吸收、膜分离技术等l催化利用催化利用：合成合成甲醇甲醇，再进一步转化成汽油、，再进一步转化成汽油、烃类和二甲醚等燃料和化工产品烃类和二甲醚等燃料和化工产品代替代替CO进行羰基化反应合成酸、酯进行羰基化反应合成酸、酯合成碳氢化合物合成碳氢化合物278.4.1 CO2的催化利用的催化利用作为温和的氧化剂作为温和的氧化剂CO2-CH4重整制合成气重整制合成气CO2-CH4氧化偶联氧化偶联制制乙烯乙烯CO2氧化乙苯脱氢制苯乙烯氧化乙苯脱氢制苯乙烯288.4.2 氯氟烃的催化治理氯氟烃的催化治理氯氟烃（氯氟烃（CFCs）的用途）的用途l稳定、无毒和不易燃烧稳定、无毒和不易燃烧l制冷剂、发泡剂、气溶胶喷射剂、制冷剂、发泡剂、气溶胶喷射剂、溶剂和清洗剂等溶剂和清洗剂等氯氯氟氟烃烃的的危害危害l温室效应温室效应l破坏大气臭氧层破坏大气臭氧层298.4.2 氯氟烃的催化治理氯氟烃的催化治理19551995年南极臭氧浓度的变化年南极臭氧浓度的变化30臭氧层破坏的危害臭氧层破坏的危害臭氧含量减少臭氧含量减少1，地面紫外线增加，地面紫外线增加23n人体健康人体健康损坏人体的免疫系统，使呼吸道疾病增加损坏人体的免疫系统，使呼吸道疾病增加 破坏蛋白质与破坏蛋白质与DNADNA结构，引发皮肤癌结构，引发皮肤癌 使眼睛受损，白内障发病率增高使眼睛受损，白内障发病率增高n陆生生态系统植物质量下降陆生生态系统植物质量下降n水生生态系统水面附近生物减少水生生态系统水面附近生物减少n城市空气和建筑材料光化学烟雾，材料老化城市空气和建筑材料光化学烟雾，材料老化n大气结构辐射收支变化，气候变化大气结构辐射收支变化，气候变化318.4.2 氯氟烃的催化治理氯氟烃的催化治理解决的方法解决的方法n开发开发CFCs的替代品的替代品nCFCs的消除的消除328.4.2 氯氟烃的催化治理氯氟烃的催化治理338.4.2 氯氟烃的催化治理氯氟烃的催化治理氯氟烃的消除氯氟烃的消除u焚烧法焚烧法温度高、能耗大温度高、能耗大易产生剧毒物质，造成二次污染易产生剧毒物质，造成二次污染u催化分解催化分解348.4.2 氯氟烃的催化治理氯氟烃的催化治理u催化分解的优点催化分解的优点分解温度低分解温度低(比焚烧法低比焚烧法低500以上以上)反应产物氯化氢、氟化氢和二氧化反应产物氯化氢、氟化氢和二氧化碳可以通过碱液的中和除去碳可以通过碱液的中和除去无二次污染无二次污染358.4.2 氯氟烃的催化治理氯氟烃的催化治理u催化分解催化分解水解水解CCl2F2+2H2OCO2+2HCl+2HFOkazaki S,Kurosaki A,Chem Lett,1989:1901Fe2O3/活性炭活性炭 氧化分解氧化分解CCl2F2+O2CO2+Cl2+F2沸石沸石转化率低转化率低 催化剂易失活催化剂易失活高滋等高滋等.氟里昂催化分解研究进展氟里昂催化分解研究进展.化学通报化学通报,2001,(6):3398.5 清洁燃料的生产和环境友好清洁燃料的生产和环境友好催化技术的开发催化技术的开发清洁汽、柴油的开发清洁汽、柴油的开发生物柴油生物柴油环境友好催化剂及催化技环境友好催化剂及催化技术的开发术的开发378.5.1 清洁汽、柴油的开发清洁汽、柴油的开发清洁汽油清洁汽油烯烃：高辛烷值组分烯烃：高辛烷值组分l形成胶质和沉淀，导致发动机效形成胶质和沉淀，导致发动机效率降低，排放增加。率降低，排放增加。l增加发动机尾气排放中的增加发动机尾气排放中的CO和和NOx含量，加重环境污染。含量，加重环境污染。388.5.1 清洁汽、柴油的开发清洁汽、柴油的开发清洁汽油清洁汽油芳烃：高辛烷值组分芳烃：高辛烷值组分l形成致癌性物质苯形成致癌性物质苯l增加气缸的积碳，增加尾气污染增加气缸的积碳，增加尾气污染物的排放物的排放398.5.1 清洁汽、柴油的开发清洁汽、柴油的开发清洁汽油清洁汽油降烯烃技术降烯烃技术l增加氢转移反应，使烯烃饱和增加氢转移反应，使烯烃饱和l选择性裂化成碳三和碳四烯烃选择性裂化成碳三和碳四烯烃l增加异构化反应，提高异构化程度增加异构化反应，提高异构化程度l正构烯烃骨架异构化，再与醇类进行正构烯烃骨架异构化，再与醇类进行醚化反应，使烯烃饱和。醚化反应，使烯烃饱和。408.5.1 清洁汽、柴油的开发清洁汽、柴油的开发清洁汽油清洁汽油加入烷基化油加入烷基化油l提高汽油辛烷值提高汽油辛烷值l稀释稀释FCC汽油组分中的烯烃和汽油组分中的烯烃和S、N等有害杂质等有害杂质l稀释重整汽油中的芳烃（包括苯）稀释重整汽油中的芳烃（包括苯）418.5.1 清洁汽、柴油的开发清洁汽、柴油的开发清洁汽油清洁汽油烷基化催化剂烷基化催化剂l液体酸（液体酸（HF和和H2SO4）l固体酸固体酸杂多酸杂多酸分子筛分子筛超强酸超强酸428.5.1 清洁汽、柴油的开发清洁汽、柴油的开发柴油加氢精制柴油加氢精制l加氢脱硫、脱氮加氢脱硫、脱氮l催化剂催化剂活性组分：活性组分：Co-Mo、Ni-Mo和和Ni-W载体载体:-Al2O3、分子、分子筛筛、硅藻土等、硅藻土等438.5.1 清洁汽、柴油的开发清洁汽、柴油的开发柴油加氢精制柴油加氢精制l氢解活性：氢解活性：Co-MoNi-MoNi-Wl加氢活性：加氢活性：Co-MoNi-MoNi-WHDS：Co-MoHDN：Ni-Mo448.5.1 清洁汽、柴油的开发清洁汽、柴油的开发柴油加氢精制柴油加氢精制l催化剂性能的改进催化剂性能的改进活性组分担载方法活性组分担载方法活性更高的活性更高的活性组分活性组分性能更好的性能更好的载体载体458.5.1 清洁汽、柴油的开发清洁汽、柴油的开发HDS：较高的温度和压力：较高的温度和压力 昂贵的氢气昂贵的氢气lNHDS氧化脱硫氧化脱硫吸附脱硫吸附脱硫络合法脱硫络合法脱硫生物脱硫生物脱硫468.5.1 清洁汽、柴油的开发清洁汽、柴油的开发馏分油的氧化脱硫馏分油的氧化脱硫氧化脱硫的优点氧化脱硫的优点l反应条件温和反应条件温和l工艺简单工艺简单l非临氢操作非临氢操作478.5.1 清洁汽、柴油的开发清洁汽、柴油的开发馏分油的氧化脱硫馏分油的氧化脱硫氧化脱硫的过程氧化脱硫的过程l硫化物的氧化硫化物的氧化l砜的回收砜的回收488.5.1 清洁汽、柴油的开发清洁汽、柴油的开发馏分油的氧化脱硫馏分油的氧化脱硫氧化剂氧化剂l双氧水双氧水l叔丁基过氧化氢、过氧化氢异叔丁基过氧化氢、过氧化氢异丙苯丙苯l其它其它498.5.1 清洁汽、柴油的开发清洁汽、柴油的开发馏分油的氧化脱硫馏分油的氧化脱硫催化剂催化剂l有机酸：甲酸、乙酸有机酸：甲酸、乙酸l杂多酸：磷钨酸、磷钼酸、硅杂多酸：磷钨酸、磷钼酸、硅钼酸、硅钨酸钼酸、硅钨酸l分子筛分子筛赵地顺等赵地顺等.车用燃料油氧化脱硫技术进展车用燃料油氧化脱硫技术进展.燃料化学学报燃料化学学报,2005,33(2):2478.5.2 生物柴油生物柴油生物柴油的特点生物柴油的特点可再生性可再生性燃烧性能好燃烧性能好良好的低温启动性能良好的低温启动性能环保性能优良环保性能优良较好的安全性能较好的安全性能较好的润滑性能较好的润滑性能518.5.2 生物柴油生物柴油生物柴油的缺点生物柴油的缺点具有腐蚀性具有腐蚀性运动粘度高运动粘度高雾化能力低雾化能力低稳定性差稳定性差NOx排放量高排放量高成本较高成本较高528.5.2 生物柴油生物柴油生物柴油的生产方法生物柴油的生产方法直接混合法直接混合法微乳液法微乳液法高温热裂解法高温热裂解法化学酯交换法化学酯交换法生物酶法生物酶法超临界法超临界法538.5.2 生物柴油生物柴油化学酯交换法化学酯交换法方法：与甲醇或乙醇发生酯交换反应，生方法：与甲醇或乙醇发生酯交换反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯成相应的脂肪酸甲酯或乙酯CH2OCOR1CHOCOR2+3CH3OHCH2OCOR3CH2OH CHOH+CH2OHCH3OCOR1CH3OCOR2CH3OCOR3催化剂催化剂548.5.2 生物柴油生物柴油化学酯交换法化学酯交换法催化剂催化剂u碱：碱：NaOH、KOH、NaOMe、有、有机胺等机胺等u酸酸:硫酸、磺酸和盐酸等硫酸、磺酸和盐酸等u酶酶558.5.3 环境友好催化剂及催化环境友好催化剂及催化技术的开发技术的开发无毒无害原料无毒无害原料可再生资源可再生资源环境友好产品环境友好产品回归自然回归自然废物回收利用废物回收利用无毒无害无毒无害催化剂催化剂 无毒无害无毒无害溶剂溶剂原子经济反应原子经济反应568.5.3 环境友好催化剂及催化环境友好催化剂及催化技术的开发技术的开发环氧丙烷环氧丙烷氯醇法：丙烯与氯水反应生成氯丙醇，氯醇法：丙烯与氯水反应生成氯丙醇，然后石灰皂化生成环氧丙烷。然后石灰皂化生成环氧丙烷。缺点：缺点：每生每生产1吨吨环氧丙氧丙烷要排放要排放40-50吨含吨含氯化化钙废水，水，污染染严重。重。直接氧化法直接氧化法 lTS-1分子筛：丙烯和过氧化氢反应分子筛：丙烯和过氧化氢反应l负载型金属：丙烯和氧反应负载型金属：丙烯和氧反应578.5.3 环境友好催化剂及催化环境友好催化剂及催化技术的开发技术的开发产物产物液体酸液体酸固体酸固体酸乙苯乙苯AlCl3ZSM-5、Y沸石沸石异丙苯异丙苯AlCl3/HCl 沸石、沸石、MCM-22直链烷基苯直链烷基苯HF含氟的含氟的SiO2-Al2O3催化剂的改变：无毒催化剂代替有毒催化剂催化剂的改变：无毒催化剂代替有毒催化剂58考试说明考试说明：重点内容：重点内容l 催化剂的特征、组成和反应性能催化剂的特征、组成和反应性能l BET法测定表面积的原理及其计算法测定表面积的原理及其计算l 密度、比孔容、孔隙率和平均孔半径的计算密度、比孔容、孔隙率和平均孔半径的计算l 固体酸酸性的表征、调变及分子筛的择形作用固体酸酸性的表征、调变及分子筛的择形作用l 催化剂的制备方法（沉淀法、浸渍法）催化剂的制备方法（沉淀法、浸渍法）l Wacker法制乙醛用催化剂及其作用机理法制乙醛用催化剂及其作用机理l 汽车尾气净化三效催化剂的组成及净化原理汽车尾气净化三效催化剂的组成及净化原理 59考试说明考试说明：形式形式判断与改错判断与改错 （53=15分）分）填空题填空题 （40分）分）专业术语解释专业术语解释 （35=15分）分）简答题、计算题简答题、计算题 （3题共题共30分）分）60考试说明考试说明：时间和地点时间和地点时间时间：11.6 1:00-2.30地点地点：二教：二教E-301 二教二教F-101(应用化学应用化学)携带物：携带物：书、笔记、计算器书、笔记、计算器61结束语结束语感谢各位同学一学期来对我感谢各位同学一学期来对我工作的配合、支持和帮助！工作的配合、支持和帮助！预祝大家期末考试取得优异预祝大家期末考试取得优异成绩！成绩！希望今后继续保持联系！希望今后继续保持联系！62谢谢大家谢谢大家！63