[发明专利]一种吸附-催化臭氧化催化剂及其制备方法与应用

说明书

一种吸附‑催化臭氧化催化剂，所述吸附‑催化臭氧化催化剂包括载体和活性组分，所述载体为硅胶，所述活性组分为铜、铁、铈和锰中两种以上金属元素的氧化物，所述活性组分中的任一金属元素的氧化物以金属元素的物质的量计不超过所有金属元素的氧化物总理论物质的量的90.9％；所述活性组分的金属元素的总理论质量以所述载体的质量记为10～40wt％。本发明所制备的催化剂可以有效提高VOCs的矿化率，避免催化剂由于副产物的累积而失活，有效提高了臭氧的利用率，避免了能源浪费和二次污染。

(一)技术领域

本发明属于废气处理的领域，具体涉及一种吸附-催化臭氧化催化剂及其制备方法与在处理VOCs中的应用。

(二)背景技术

挥发性有机物(VOCs)指的是常温下饱和蒸汽压0.133kPa，常压下沸点在50～260℃以下的有机化合物，或在常温常压下任何能挥发的有机固体或液体。VOCs是导致产生臭氧(O₃)和细颗粒物(PM_2.5)的前驱体，前者会引起光化学烟雾的产生，后者会导致灰霾的产生；同时，VOCs又会威胁到人类的健康，例如甲醛、芳香烃特别是多环芳烃、二噁英类等具有较强的致癌、致畸、致突变等生物毒性。因此，全球对于VOCs的治理关注度越来越高。目前，对于VOCs传统的治理方法主要分为催化燃烧、吸附、吸收等，催化燃烧法较为简便，但是需要大量的热能作为支撑；吸附需要吸附剂，操作频繁且需后处理；吸收成本高，需解吸，催化法在一定程度上降低了反应物的能垒，不仅可以减少反应过程的能耗，又可以提高对于VOCs的治理效率，因而，催化法成为了治理VOCs较为普遍的一种方法。

臭氧的氧化电位为2.07V，仅次于氟(2.87V)，是一种强氧化剂。单一臭氧化对于VOCs有一定的降解效果，但要达到理想的氧化效果所需臭氧浓度高，能耗大，此外，由于单一臭氧化对VOCs的氧化速率较慢，导致臭氧的利用率不高，尾气中还可检测到大量臭氧，造成二次污染。而将臭氧与催化法结合起来，利用二者之间的协同作用，就能明显改善由单一臭氧化和单一催化法所带来的一系列不足之处，使得反应可以在更低的温度下进行，降低了能耗；臭氧在催化剂表面与活性组分作用产生活性氧，遇水汽分解成羟基自由基，活性氧和羟基自由基是比臭氧氧化能力更强的氧，它可以进一步将副产物氧化成CO₂和H₂O，提高了臭氧利用率。因此，催化氧化技术受到越来越多的关注。

公开号为CN111001403A中国发明专利公开了一种臭氧氧化催化剂，是以氧化铝作为催化剂的载体，以锰-铈双金属混合物作为活性组分，通过浸渍法和络合法制备得到。公开号为CN106622211B中国发明专利公开了一种臭氧催化氧化材料，是以改性活性炭为基体，表面包覆有SiO₂膜，SiO₂膜的表面含有过渡金属氧化物，用来催化氧化废气中的苯。公开号为CN107744806A中国发明专利以膨胀石墨烯为载体，负载铈和锰作为活性组分，制备了负载多种有效组分的催化剂。公开号为CN108686673A中国发明专利以活性炭和焚烧炉积灰为载体，负载锰、钛等作为活性组分。公开号为CN105170152A中国发明专利采用铁离子交换钛离子柱撑蒙脱石催化剂，在375℃下催化氧化甲苯，温度过高，能耗太大。上述催化剂在处理VOCs方面取得了一定的效果，但是处理效果有待提高，且存在催化剂制备过程较繁杂，机械强度较差，在催化臭氧化过程中产生的副产物易积累在催化剂表面，导致催化剂失活等问题。在催化臭氧化过程中，如何避免催化剂由于副产物的积累而失活很关键，但是目前很少有专利针对这一关键性问题提出对催化剂的设计和解决方案。

(三)发明内容

针对现有降解VOCs的臭氧催化氧化催化剂中存在的催化剂易失活以及催化剂制备工艺繁杂等问题，本发明提供一种吸附-催化臭氧化催化剂及其制备方法与应用。该催化剂具有性能稳定，使用寿命长，高效率的优势，且制备方法简单易行，成本低，所述催化剂在吸附-催化臭氧化处理VOCs工艺中应用，催化氧化具有相当稳定性的甲苯，催化效率好。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：