《工业催化原理》讲义(07)26

1、第六章第六章 环保催化和生物酶催化过程环保催化和生物酶催化过程 主要内容：机动车尾气净化、主要内容：机动车尾气净化、 催化脱硫、催化脱硫、 催化脱氮等过程；催化脱氮等过程； 生物酶催化过程生物酶催化过程. . 化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 1 第一节第一节 环保催化过程环保催化过程 一、环保催化的特点：一、环保催化的特点： 1、被处理的气体或液体的浓度很低；、被处理的气体或液体的浓度很低； 2、被处理的物质往往是催化剂的毒物，如硫、被处理的物质往往是催化剂的毒物，如硫、 砷、卤化物、重金属等；砷、卤化物、重金属等； 3、处理的量一般都较大；、处理的量一般都较大；

2、 4 4、要求催化剂具有好的抗毒性。、要求催化剂具有好的抗毒性。 化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 2 第一节第一节 环保催化过程环保催化过程 二、机动车尾气净化二、机动车尾气净化(1) 光化学烟雾的形成光化学烟雾的形成 工业催化与反应工程研究室 3 化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 3 第一节第一节 环保催化过程环保催化过程 二、机动车尾气净化二、机动车尾气净化(2) 1、主要有害成分：、主要有害成分： （1）CO 燃料不完全燃烧的产物，浓度最高的一燃料不完全燃烧的产物，浓度最高的一 种成分；种成分； （2）HC 缸壁淬冷及燃料不完全燃

3、烧，缸壁淬冷及燃料不完全燃烧，500-1000 ppm； （3）NOx 燃烧室高温、高压下氮氧化合而成，燃烧室高温、高压下氮氧化合而成， 100-3000 ppm； （4）SO2 燃料中的含硫化合物。燃料中的含硫化合物。 工业催化与反应工程研究室 4 化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 4 第一节第一节 环保催化过程环保催化过程 二、机动车尾气净化二、机动车尾气净化(3) 2、汽车尾气净化：、汽车尾气净化：-三效催化剂：三效催化剂： （1 1）三效催化剂的作用机理：三效催化剂的作用机理： A 氧化反应：氧化反应：CO + O2 CO2 HC + O2 CO2 + H2

4、O B 还原反应：还原反应：CO + NO CO2 + N2 HC + NO CO2 + N2 + H2O C 分解反应：分解反应：NO N2 + O2 NO2 N2 + O2 D 水蒸气重整反应：水蒸气重整反应：HC + H2O CO + H2 E 水煤气变换反应：水煤气变换反应：CO + H2O CO2 + H2 工业催化与反应工程研究室 5 化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 5 第一节第一节 环保催化过程环保催化过程 二、机动车尾气净化二、机动车尾气净化(4) （2）催化剂：）催化剂： 活性组分，活性组分， Pt、Rh等（主组分）；稀土元素（助等（主组分）；稀

5、土元素（助 催化剂）；催化剂）； 载体：活性氧化铝、沸石分子筛、堇青石蜂窝陶瓷、载体：活性氧化铝、沸石分子筛、堇青石蜂窝陶瓷、 整体式金属载体。整体式金属载体。 工业催化与反应工程研究室 6 化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 6 第一节第一节 环保催化过程环保催化过程 三、烟气脱硫三、烟气脱硫(1) 大气中大气中SOx、NOx的变化的变化 工业催化与反应工程研究室 7 化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 7 第一节第一节 环保催化过程环保催化过程 三、烟气脱硫三、烟气脱硫(2) 1、污染源：燃煤电厂、冶炼厂、化工厂、焦化厂、污染源：燃煤电厂

6、、冶炼厂、化工厂、焦化厂 等的废气中的等的废气中的SO2、H2S等。等。 2、催化脱硫方式：、催化脱硫方式： （1）催化还原法：（）催化还原法：（Claus 法，法，H2S还原还原SO2回收回收S） SO2 + 2H2S 3S + 2H2O；（通常是；（通常是H2S部分燃烧生成部分燃烧生成 SO2并提供热量，同时未反应的并提供热量，同时未反应的H2S与与SO2反应生成反应生成S） 催化剂：铝钒土类催化剂；反应温度一般为催化剂：铝钒土类催化剂；反应温度一般为220-350 。 工业催化与反应工程研究室 8 化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 8 第一节第一节 环保催化过

7、程环保催化过程 三、烟气脱硫三、烟气脱硫(3)： （2）催化氧化法：）催化氧化法：WSA（湿气体制酸）工艺：（湿气体制酸）工艺： SO2 + 1/2O2 SO3 + 99 kJ/mol 催化剂：钒基催化剂催化剂：钒基催化剂 SO3 + H2O H2SO4(丹麦丹麦Topse公司专利公司专利WSA 冷却器冷却器 中冷却中冷却) 工业催化与反应工程研究室 9 化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 9 第一节第一节 环保催化过程环保催化过程 三、烟气脱硫三、烟气脱硫(4)： （3）催化吸收法：利用吸收剂（如分子筛等）催化吸收法：利用吸收剂（如分子筛等） 将将SO2、H2S先吸

8、收下来，再采用催化氧化或催先吸收下来，再采用催化氧化或催 化还原法处理。化还原法处理。 工业催化与反应工程研究室 10 化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 10 第一节第一节 环保催化过程环保催化过程 四、烟气脱氮（四、烟气脱氮（N2O(笑气笑气), NO, NO2, N2O3, N2O4, N2O5 总总称称NOx） 1、污染源：除机动车尾气外，主要是燃煤电厂、化工、污染源：除机动车尾气外，主要是燃煤电厂、化工 过程，工业炉窑等的废气。造成酸雨和光化学烟雾。过程，工业炉窑等的废气。造成酸雨和光化学烟雾。 2、脱氮方式：、脱氮方式： （1）催化分解法，如：）催化分解法

9、，如： 2NO N2 + O2 催化剂：催化剂：Pt、Rh、Cu-ZSM-5分子筛催化剂等有好的分子筛催化剂等有好的 活性。活性。 工业催化与反应工程研究室 11 化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 11 第一节第一节 环保催化过程环保催化过程 （2）催化还原法，利用不同的还原剂，如）催化还原法，利用不同的还原剂，如NH3, H2, CO, 烃类，在催化剂作用下消除烃类，在催化剂作用下消除NOx。 如：如：2NO + 2H2 N2 + 2H2O 4NO + CH4 CO2 + 2N2 + 2H2O （3）催化氧化法（）催化氧化法（SCO法），当烟气中同时含有法），当烟

10、气中同时含有SOx、 NOx和未消耗的和未消耗的O2时，在催化剂作用下同时消除时，在催化剂作用下同时消除NOx和和 SO2。 如：如：N2O3 + SO2 + 6NH3 + 3H2O 3(NH4)2SO4 + N2 催化剂：分子筛、活性炭、金属氧化物或贵金属催化剂等。催化剂：分子筛、活性炭、金属氧化物或贵金属催化剂等。 工业催化与反应工程研究室 12 化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 12 第一节第一节 环保催化过程环保催化过程 五、有机废气的处理（主要是挥发性有机物五、有机废气的处理（主要是挥发性有机物 VOCs） 1、污染源：化工、轻工、涂料、印刷等行业的、污染

11、源：化工、轻工、涂料、印刷等行业的 废气。包括烃类（烷、芳烃类）、含氧有机物废气。包括烃类（烷、芳烃类）、含氧有机物 （醛类）、含氮有机物（胺、腈类）、卤族有（醛类）、含氮有机物（胺、腈类）、卤族有 机物（卤代烃类），有机硫化物（硫醇、硫醚机物（卤代烃类），有机硫化物（硫醇、硫醚 类）等。类）等。 工业催化与反应工程研究室 13 化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 13 第一节第一节 环保催化过程环保催化过程 2、处理方式：、处理方式： （1）催化燃烧法：利用催化剂使有机物在较低）催化燃烧法：利用催化剂使有机物在较低 的温度下与氧化合，生成的温度下与氧化合，生成H2O

12、和和CO2，到达净，到达净 化的目的。化的目的。 （2）吸附法等：使有机废气通过活性炭等吸附）吸附法等：使有机废气通过活性炭等吸附 剂吸附废气中的有机物，吸附饱和后，解析再剂吸附废气中的有机物，吸附饱和后，解析再 生，解析的有机物可回收或作为燃料。生，解析的有机物可回收或作为燃料。 工业催化与反应工程研究室 14 化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 14 第一节第一节 环保催化过程环保催化过程 六、水中污染物催化治理六、水中污染物催化治理1 1、污染源：、污染源： （1）工业生产废水，排放量大，污染物种类多；）工业生产废水，排放量大，污染物种类多； （2）生活废水；）

13、生活废水； （3）农业生产废水等。）农业生产废水等。 工业催化与反应工程研究室 15 化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 15 第一节第一节 环保催化过程环保催化过程 六、水中污染物催化治理六、水中污染物催化治理2 2、污染物种类、污染物种类 （1）酚类（如苯酚、甲酚等）酚类（如苯酚、甲酚等） （2）芳烃及衍生物（如苯、二甲苯等）芳烃及衍生物（如苯、二甲苯等） （3）氰及腈化物（如乙腈、氰醇等）氰及腈化物（如乙腈、氰醇等） （4）有机氧化物（如甲醛等）有机氧化物（如甲醛等） （5）有机氯化物（如多氯联苯等）有机氯化物（如多氯联苯等） （6）农药（如有机氯、磷、汞、砷等

14、）农药（如有机氯、磷、汞、砷等） 工业催化与反应工程研究室 16 化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 16 第一节第一节 环保催化过程环保催化过程 六、水中污染物催化治理六、水中污染物催化治理3 3、几种处理技术、几种处理技术 （1）光催化臭氧化（）光催化臭氧化（O3/UV）技术：可有效消除氰化物、）技术：可有效消除氰化物、 醇、醛、酚等，污染物可完全降解为醇、醛、酚等，污染物可完全降解为CO2和和H2O； （2）多相光催化氧化技术：以）多相光催化氧化技术：以n型半导体，如型半导体，如TiO2、ZnO、 CdS等为催化剂，在等为催化剂，在 UV作用下，降解有机污染物，

15、如作用下，降解有机污染物，如 TiO2/UV可有效消除多氯联苯；可有效消除多氯联苯； 工业催化与反应工程研究室 17 化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 17 第一节第一节 环保催化过程环保催化过程 六、水中污染物催化治理六、水中污染物催化治理4 3、几种处理技术、几种处理技术 （3）超临界催化氧化净化技术：超临界水可与氧气或有）超临界催化氧化净化技术：超临界水可与氧气或有 机物以任意比例互溶，在催化剂的作用下，有机污染物机物以任意比例互溶，在催化剂的作用下，有机污染物 可快速被降解。有均相催化和多相催化。如可快速被降解。有均相催化和多相催化。如Pt、Pd /Al2O

16、3催化剂等。催化剂等。 （4）湿式催化氧化技术：始于）湿式催化氧化技术：始于20世界世界70年代，在传统的年代，在传统的 湿式氧化技术的基础上发展起来，由于催化剂的作用，湿式氧化技术的基础上发展起来，由于催化剂的作用， 反应温度和压力较低，时间较短。反应温度和压力较低，时间较短。 工业催化与反应工程研究室 18 化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 18 第一节第一节 环保催化过程环保催化过程 七、固体废弃物催化治理七、固体废弃物催化治理1 1、来源：、来源： （1）城市废物；）城市废物； （2）产业废物；）产业废物； （3）矿业废物；）矿业废物； （4）农业废物等。）

17、农业废物等。 2、污染：、污染： （1）土壤；）土壤； （2）水体；）水体； （3）大气。）大气。 工业催化与反应工程研究室 19 化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 19 第一节第一节 环保催化过程环保催化过程 七、固体废弃物催化治理七、固体废弃物催化治理2 3、固体废弃物的资源化和综合利用、固体废弃物的资源化和综合利用 （1）回收能源；）回收能源； （2）生产化肥；）生产化肥； （3）生产建筑材料；）生产建筑材料； （4）提取化工原料。）提取化工原料。 4、几种回收技术、几种回收技术 （1）塑料废弃物回收：回收再利用；催化裂解制取化学品和燃）塑料废弃物回收：回收再

18、利用；催化裂解制取化学品和燃 料等。料等。 （2）废旧橡胶回收：回收制取再生橡胶；催化裂解制取燃料和）废旧橡胶回收：回收制取再生橡胶；催化裂解制取燃料和 炭黑。炭黑。 （3）废旧电池回收：回收金属等。）废旧电池回收：回收金属等。 工业催化与反应工程研究室 20 化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 20 第二节第二节 生物酶催化过程生物酶催化过程 一、酶的类型和特性一、酶的类型和特性1 1、类型：、类型： （1）氧化还原酶：氧化还原；）氧化还原酶：氧化还原； （2）转移酶：基团转移；）转移酶：基团转移； （3）水解酶：水解；）水解酶：水解； （4）裂解酶：基团消除并形成

19、双键；）裂解酶：基团消除并形成双键； （5）异构酶：异构；）异构酶：异构； （6）连接酶：分子之间连接。）连接酶：分子之间连接。 工业催化与反应工程研究室 21 化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 21 第二节第二节 生物酶催化过程生物酶催化过程 一、酶的类型和特性一、酶的类型和特性2 2、酶的催化特性、酶的催化特性 （1）催化效率高；）催化效率高； （2）选择性高；）选择性高； （3）反应条件温和；）反应条件温和； （4）可自动调节活性；）可自动调节活性； （5）同时具有均相和多相的特征。）同时具有均相和多相的特征。 工业催化与反应工程研究室 22 化工资源有效利用

20、国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 22 第二节第二节 生物酶催化过程生物酶催化过程 二、酶的催化作用机理二、酶的催化作用机理 1、酸碱催化：质子化或非质子化为特征；、酸碱催化：质子化或非质子化为特征； 2、共价催化：亲电、亲核催化；、共价催化：亲电、亲核催化； 3、氧化还原机理。、氧化还原机理。 工业催化与反应工程研究室 23 化工资源有效利用国家重点实验室化工资源有效利用国家重点实验室 23 第二节第二节 生物酶催化过程生物酶催化过程 三、生物酶在石油化工中的应用三、生物酶在石油化工中的应用1 1、丙烯腈水解生产丙烯酰胺：、丙烯腈水解生产丙烯酰胺： 日本日东公司，日本日东公司，1985年建成年建成4000 吨吨/年装置；催化年装置；催化 剂：腈水解酶剂：腈水解酶N-774；反应温度：；反应温度：0-5；pHpH值：值：7.5-7.5- 8.58.5；丙烯腈单程转化率：丙烯腈单程转化率：99.9% 。 2、生物聚合物：、生物聚合物