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催化燃烧技术用于油烟废气净化的研究进展

浏览:49 发表时间:2020-08-07 09:30:07

催化燃烧技术用于油烟废气净化的研究进展


      摘要:油烟污染会对环境以及人体造成很大的危害。本文回顾和总结了近几年来国内油烟净化的主要方式及各种方式的特点。对比各种油烟净化方式之后发现,催化燃烧技术可以绿色、高效地净化多种有机废气,是油烟废气处理技术研究的一个重要方向。本文总结了催化燃烧技术用于油烟废气净化领域的研究现状,综述了近年来催化燃烧技术所用的贵金属、非贵金属氧化物催化剂的研究进展,同时阐述了催化剂的失活原因和再生方法。最后针对现有的问题对催化燃烧技术在油烟废气净化领域的研究作了展望,并指出新型催化剂的研制是该技术的研究重点。


     关键词:催化燃烧;餐饮油烟;挥发性有机物;催化剂


      近年来,国家经济不断发展,第三产业蓬勃兴起。餐饮业是我国第三产业的重要组成部分,其作为一种传统服务行业始终保持着快速的增长速度。尤其是在城区范围内出现的越来越多的餐馆,虽然给人们带来了极大的便利,但也造成了越来越严重的环境问题。研究表明,除机动车废气和工业废气外,餐饮业的废气排放对城市空气污染的贡献率最高。

      餐饮油烟废气是指食用油、佐料、食物等在加热时经过一系列化学反应而生成的产物,既包含由液态油滴和固态颗粒物所组成的颗粒物,又包含挥发性有机化合物( volatile organic compound ,VOCs)。这些物质排放到大气中,一方面会和空气中的氮氧化物发生光化学反应,形成光化学烟雾,造成严重的二次污染;另一方面,餐饮油烟废气对人体的生命健康安全造成了极大的威胁。如长期暴露在高浓度油烟中会对肺部造成损伤,甚至大大提高患上肺癌的概率;油烟废气会伤害人体的免疫系统,对细胞免疫、巨噬细胞功能造成影响,使人体的免疫功能下降;油烟废气中含有可以令基因突变、染色体和DNA 受损的物质,具有一定的致癌性。我国“十三五规划纲要”明确提出:“在重点区域、重点行业推进挥发性有机物排放总量控制,全国排放总量下降10%以上”。而餐饮油烟作为城市VOCs 的重要来源,对其净化治理也迫在眉睫。


一、油烟净化技术研究现状

         油烟产生的过程十分复杂,不同种类的油、不同的烹饪温度以及不同的食材都会影响油烟中有机物的成分和含量。大量研究表明,餐饮油烟中主要成分为烃类,包括烷烃、烯烃以及芳香烃,其次是醛类、有机酸、多环芳烃以及其他有机化合物。这些物质以气态、液态或固态存在于油烟之中。餐饮油烟污染控制要有效去除油烟中的颗粒物和挥发性有机物。

         目前,油烟净化技术主要包括机械净化法、静电沉积法、洗涤吸收法、过滤吸附法、生物降解法和催化燃烧法等。给出了目前油烟废气净化技术的特点。机械净化法对粒径较小的颗粒去除效率低,且对VOCs 没有去除效果,一般只作为净化工艺的预处理;静电沉积法长期使用会使集尘极表面形成一层极难清理的油膜,使净化效率下降。该方法设备投资费很高且对油烟中的VOCs 去除率不高;洗涤吸收法以同时去除油烟中的颗粒物及VOCs。但能耗高,投资大,吸收液用量大,且会造成二次污染问题;过滤吸附法仅能截留油烟中的颗粒物,对VOCs 没有去除效果;生物降解法可以同时净化油烟中的颗粒物和VOCs,但受油烟性质的温度影响较大,当浓度、温度较高的油烟通过时降解效果会降低;催化燃烧法是利用催化剂降低氧化反应的活化能、降低起燃温度、促进反应物完全氧化并最终生成CO2和H2O的一种可以抑制有害产物的生成,对环境友好的技术。该方法可以同时净化油烟中的颗粒物和VOCs。催化燃烧技术的特点是起燃温度低、可抑制如氮氧化物等污染物的形成、适用范围广、净化效果好。对于餐饮油烟废气的净化技术而言,催化燃烧技术是绿色、高效、最为可行的净化技术,深入研究和发展催化燃烧技术是处理餐饮油烟造成的环境污染问题的重要方法之一。


二、催化燃烧技术在油烟净化中的研究进展

         催化燃烧技术的关键在于开发低温高活性、良好稳定性的优良催化剂。用于催化燃烧技术催化剂的活性组分可分为贵金属、非贵金属氧化物。贵金属催化剂是低温催化燃烧常用的催化剂,其优点是具有较高的低温活性,缺点是活性组分容易挥发和烧结、容易中毒失活、价格昂贵、资源短缺;非贵金属氧化物催化剂主要有复合氧化物型催化剂、钙钛矿型催化剂、尖晶石型催化剂等。非贵金属氧化物催化剂价格相对较低且也具有良好的催化性能。


        2.1 贵金属催化剂

              人们对贵金属催化剂的研究较早,同时也研究的比较深入。贵金属催化剂通常为负载型催化剂,可以在保证催化剂活性的基础上大大降低贵金属的用量,降低成本。贵金属催化剂用于油烟净化领域的研究较早,但由于其缺点,近年来使用贵金属催化剂进行油烟催化净化的较少。常见的贵金属催化剂有Pd、Pt、Au、Ru 等。给出了近年来贵金属催化剂用于催化燃烧技术的研究成果。


三、催化剂的失活与再生

         在催化剂使用过程中,随着时间的增加,催化剂的活性会逐渐降低,渐渐失去活性。造成催化剂失活的原因主要有:中毒引起的失活、积炭堵塞引起的失活和受热引起的热失活等。

      

         3.1 中毒失活

               中毒引起的催化剂失活可分为两种方式:一种是吸附在催化剂上的毒物与催化剂的活性中心发生化学反应,生成了稳定性较高的产物,从而使催化剂的活性中心减少,造成催化剂失活;另一种是毒物单纯地覆盖在催化剂的活性中心上,造成催化剂活性中心减少,使催化剂失活。

               第一种失活的催化剂由于毒物与活性中心生成的产物具有很高的稳定性,很难通过一般方法恢复活性。

               第二种失活的催化剂可以通过简单的热再生等方式恢复活性。考察了水洗、氨洗和高温焙烧这3种方法对失活的La0.8Sr0.2MnO3 钙钛矿型催化剂的再生效果,结果表明,高温焙烧可使失活的催化剂恢复活性。ORDONEZ 等用5 种不同的再生方式对硫中毒的Pd/γ-Al2O3 催化剂进行再生,发现通过H2 再生的催化剂活性明显好于其他方式再生的催化剂。说明H2 还原是一种有效的催化剂再生方式。


        3.2 积炭堵塞失活

               以有机物为原料的催化反应往往会生成大量的含碳副产物,这些副产物在催化剂表面堆积或堵塞在催化剂的孔道中,造成催化剂的失活。这是最为常见的催化剂失活方式。失活的催化剂可通过高温焙烧、氢气还原等方法恢复活性。ANTUNES 等用不同Cu 含量的CuNaHY 分子筛在150~500℃处理甲苯,发现催化剂活性随着时间的增加而降低,同时发现随着Cu 含量的增加,分子筛内的积炭量也随之增加。OLIVEIRA 等发现Cr/膨润土催化剂对氯苯和二甲苯具有良好的催化活性,但当催化剂在600℃反应一段时间后发现活性明显下降且表面产生一些黑色物质。通过研究发现这是由于催化剂表面生成了积炭导致活性中心减少,从而降低了催化剂活性。

        3.3 热失活

              过高的温度会使催化剂烧结或使催化剂的结构发生变化,造成催化剂失活。这一过程是不可逆的,无法通过常规方法恢复催化剂的活性。造成催化剂失活的原因非常复杂,并不一定只是一种原因引起的。催化剂的失活也是催化研究的重点。目前有关催化燃烧催化剂在油烟气净化方面的研究较少且主要集中在净化效果上,尚且缺乏关于催化剂失活和再生的研究。


四、结束语

         我国目前所采用的油烟废气净化技术在净化效率、设备成本、能耗等方面并不完善,越来越无法缓解餐饮油烟废气带来的危害。因此,更为绿色、高效的催化燃烧技术成为目前油烟净化的重点研究方向。催化剂作为催化燃烧技术的核心成为人们研究的热点,研制开发新型的高性能(活性、选择性、抗性)催化剂、设计复杂条件下油烟中颗粒物和VOCs 的同时,净化工艺能够降低油烟带来的环境污染,减少VOCs 的排放,是未来油烟净化领域的重点。

 

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