大气层保护与催化技术

1、5.4大气层保护与催化技术5.4.1保护臭氧层的催化技术氟利昂等消耗臭氧物质是臭氧层破坏的元凶。在现代经济中，氟利昂等物质 应用非常广泛，要全面淘汰，必须首先找到氟利昂等的替代物质和替代技术。在 特殊情况下需要使用，也应努力回收，尽可能重新利用。目前，世界上一些氟利 昂的主要生产厂家参与开发研究了替代氟利昂的含氟替代物（含氢氯氟烃HCFC 和含氢氟烷烃HCF等）及其合成方法，有可能用作发泡剂、制冷剂和清洗溶剂 等，但这类替代物也损害臭氧层或产生温室效应。同时，也在开发研究非氟利昂 类型的替代物质和方法，如水清洗技术、氨制冷技术等。为了推动氟利昂替代物质和技术的开发和使用，逐步淘汰消耗臭氧层物质

2、， 许多国家采取了一系列政策措施，一类是传统的环境管制措施，如禁用、限制、 配额和技术标准，井对违反规定实施严厉处罚。欧盟国家和一些经济转轨国家广 泛采用了这类措施。一类是经济手段，如征收税费，资助替代物质和技术开发等。 美国对生产和使用消耗臭氧层物质实行了征税和可交易许可证等措施。另外，许 多国家的政府、企业和民间团体还发起了自愿行动，采用各种环境标志，鼓励生 产者和消费者生产和使用不带有消耗臭氧层物质的材料和产品，其中绿色冰箱标 志得到了非常广泛的应用。1985年，在联合国环境规划署的推动下，制定了保护臭氧层的维也纳公 约。1987年，联合国环境规划署组织制定了关于消耗臭氧层物质的蒙特利

3、尔议定书，对8种破坏臭氧层的物质（简称受控物质）提出了削减使用的时间 要求。这项议定书得到了 163个国家的批准。1990年、1992年和1995年，在 伦敦、哥本哈根、维也纳召开的议定书缔约国会议上，对议定书又分别作了 3 次修改，扩大了受控物质的范围，现包括氟利昂（也称氟氯化碳CFC）、哈伦 （CFCB）、四氯化碳（CCL4）、甲基氯仿（CH3CC13）、氟氯烃（HCFC） 和甲基漠（CH3Br）等，并提前了停止使用的时间。根据修改后的议定书的规定， 发达国家到1994年1月停止使用哈伦，1996年1月停止使用氟利昂、四氯化 氟利昂等消耗臭氧物质是臭氧层破坏的元凶。在现代经济中，氟利昂等物

4、质应用 非常广泛，要全面淘汰，必须首先找到氟利昂等的替代物质和替代技术。在特殊 情况下需要使用，也应努力回收，尽可能重新利用。目前，世界上一些氟利昂的 主要生产厂家参与开发研究了替代氟利昂的含氟替代物（含氢氯氟烃HCFC和 含氢氟烷烃HCF等）及其合成方法，有可能用作发泡剂、制冷剂和清洗溶剂等， 但这类替代物也损害臭氧层或产生温室效应。同时，也在开发研究非氟利昂类型 的替代物质和方法，如水清洗技术、氨制冷技术等。为了推动氟利昂替代物质和技术的开发和使用，逐步淘汰消耗臭氧层物质， 许多国家采取了一系列政策措施，一类是传统的环境管制措施，如禁用、限制、 配额和技术标准，井对违反规定实施严厉处罚。欧

5、盟国家和一些经济转轨国家广 泛采用了这类措施。一类是经济手段，如征收税费，资助替代物质和技术开发等。 美国对生产和使用消耗臭氧层物质实行了征税和可交易许可证等措施。另外，许 多国家的政府、企业和民间团体还发起了自愿行动，采用各种环境标志，鼓励生 产者和消费者生产和使用不带有消耗臭氧层物质的材料和产品，其中绿色冰箱标 志得到了非常广泛的应用。保护温室效应气体排放的催化技术温室效应主要同二氧化碳的排放量有关。对于二氧化碳的控制一方面要 从管理措施入手，如设立“CO税”，采用零CO排放能源（太阳能、水力发电、 风能、核能及地热等），植树造林，将CO注入深2海埋藏等。另一方面可以通过 一定的催化技术措

6、施。如（1）催化燃烧节能技术：二氧化碳是燃烧过程的主要 产物，减少燃烧过程二氧化碳的排放是降低温室效应的一个主要方面。Booskov 等人设计了一种催化热能产生装置，燃料在流化床中的特定催化剂作用下，在设 定的温度下与定量的空气进行催化燃烧，将许多转化过程集中到了一个反应器 内，减少了二氧化碳的排放。（2）使用催化剂的高输出功率的燃料电池：减少 CO排放的另一途径是在高输出功率的燃料电池中利用电催化氧化将碳氢化合 物的化学能转为电能，例如以甲醇为原料的燃料电池可同时得到乙烯。（3）CO2 为原料催化合成工艺，开发新的催化工艺，以发电厂及钢厂产生的CO为原料合 成不同的化学品可以降低温室效应。（

7、4）二氧化钛光催化技术：日本2的安宝正 一，利用二氧化钛光催化技术成功将CO2和H2O合成了甲醇，这在某种程度上为 大气中温室效应气体CO2的固定提供一种新的技术思路。大气保护的催化技术大气污染一直是困扰各国政府的难题，空气中超标的硫氧化物（SOx）、氮氧 化物（NOx）、碳氢化合物（HC）、挥发性有机物（VOCs）等有害气体绝对量大，治 理困难，严重威胁着人类健康，同时温室效应也是全球性的环境问题之一。目前 已有下列领域应用环境催化新技术：（1）降低温室效应；（2）二氧化硫脱除和氮氧 化物的脱除；（3 ）汽车尾气净化；（4）挥发性气体及有机废气的净化。5.4.3.1创造对环境更安全的运输手段

8、机动车排放的尾气是大气污染的罪魁祸首之一，而催化技术可用来减少排放 的废气。如生产无铅汽油、生产低硫燃料，安装汽车废气催化转化装置，开发新 的高效催化燃烧的内燃机等。汽车尾气净化方式可分为两大类:其一,对发动机燃烧方式进行改进,抑制 有害气体的产生，使排出的废气尽可能变得干净。其二，发动机的废气用设置在发 动机外部的装置净化后再排出。稀土三元催化剂在汽车尾气净化上的应用属最后 一种，即利用稀土催化剂和相应装置，对汽车尾气中的有害成分进行化学反应，将 CO、HC、NOx转化为无害的CO2、H2O和N2的一种技术，也是目前正在研究的10。 对于汽车尾气净化技术已经实现商业化的是三效催化剂。汽车尾气

9、净化大幅度削 减汽车污染的最有效办法就是使用汽车尾气催化转化器，这是目前世界公认并为 二十余年实践所证明的唯一有效治理汽车尾气污染的技术。丰田公司开发了汽车 尾气净化新技术，即NOx吸收储存还原型催化剂，该催化剂将稀薄燃烧时产生的 极难脱除的NOx暂时储存起来，然后将其瞬间还原净化。富氧条件下的NOx催 化净化已成为至今各国的研究开发热点。5.4.3.2 NOx 和 SOx 的去除NOx和SOx作为酸性气体，是引起酸沉降的主要原因，是城市大气环境中的 一个主要污染因子，严重影响城市居民的生存环境。利用固定在具有较大表面积 的活性炭上的粉末状TiO2作为光催化剂，在紫外线照射下，即使在H2O存在

10、下也 可对NOx和SOx进行氧化处理，其产物为相应的N。、S。疔等，目前已经有所 应用。目前有三种环境催化技术可望应用于二氧化硫污染的治理：（a）烟气中SO2直 接催化还原为单质硫；（b）熔融盐固体电解质电化学膜烟气脱硫；（c）燃料电池式 电化学氧化还原烟气脱硫。目前NOx的处理方法有：非催化还原法、催化还原 法、热分解法、吸附法、改性碳纤维，TiO2光催化法，吸收法和低温等离子体 技术。氨的选择性还原和甲烷的选择性还原是固定源氮氧化物的主要处理方法。 其中氨的选择性催化还原是工业上应最广，也是最成熟的技术，而甲烷的选择性 催化还原是目前正在研究中的技术。5.4.3.3挥发性气体的净化挥发性有

11、机物（VOCs）是一类有机化合物的统称，通常是指在常压下沸点低 于260或室温时饱和蒸汽压大于71Pa的有机化合物，也有将常压下沸点低于 100r或25C时饱和蒸汽压大于133Pa的有机化合物称为VOCs。挥发性有机物 是常见的污染物，它与颗粒物一样，是又一大类大气污染物。目前常用或已有实际应用的处理含VOCs废气的方法包括燃烧法，吸附法， 吸收法，冷凝法，生物法等，其他正在研究开发的方法有光催化氧化和等离子体 法等。与吸附法一样,催化氧化也是传统的VOCs处理方法，常用于气体流量和 浓度波动的场合。燃烧技术最初采用的是（1）直接燃烧法，VOCs在较高的温度下快速地 转化为CO2和H2O,其去

12、除效率可超过99%。但是直接燃烧法所需温度较高 （许多VOCs在直接燃烧时起燃温度都在500C以上），使得直接燃烧法仅适用于 治理含高浓度VOCs的废气。（2）催化燃烧也称为无火焰燃烧，其实质是催化氧 化反应。与直接燃烧法相比，催化燃烧一般可使反应温度下降300-600C，使废 气中稍高浓度挥发性有机物去除。（3）为了克服催化燃烧处理VOCs浓度低于 1000mg/m3的有机废气时需要补充热能的缺点，最近发展了周期性流向交替变换 催化燃烧技术。（4）当废气中VOCs浓度低于100mg/m3时，流向变换催化燃烧 也不能克服补充热能助燃的缺点，于是又发展了吸附-流向变换催化燃烧耦合技 术来处理超低浓度的VOCs废气。同时将催化和臭氧氧化相结合,促进臭氧的氧 化反应，实现气体污染物的低温催化燃烧，是目前进行研究的技术。在VOC污染控制的技术里，吸附是有效和经济的技术之一，而催化燃烧 （也称无火焰燃烧）则是目前最常用的销毁技术。在这些技术里，吸附剂和催化 剂是治理VOCs污染的关键。只有开发和研究更为优越的吸附催化环境材料， 才能更有效地控制VOCs污染。2.5工业废气的净化工业废气是环境污染的一个重要方面。催化技术能有助于开发净化工业废气 中的CO、NOx、SO、HS、烃及其他有机物的新技术，使用催化循环技术或焚 烧技术处理固体或液体废弃物及催化焚烧杀虫剂或其他含有C1，F，P，