結(jié)構催化劑與環(huán)境治理

第1章　緒論 1.1　我國的廢物排放現(xiàn)實 　　　　001 　 1.1.1　1999—2003年我國污染物排放的數(shù)字統(tǒng)計摘錄 　　002 　 1.1.2　2005年、2008年或 2010年我國三廢污染物統(tǒng)計數(shù)據(jù) 　　003 　 1.1.3　2011年我國各個部門排放三廢及其比例 　　 004 1.2　污染物的催化治理——環(huán)境催化 　　　009 1.2.1　引言 　　　　009 　 1.2.2　污染物治理的催化技術——環(huán)境催化 　　010 　 1.2.3　環(huán)境催化的非標準應用 　　　012 　 1.2.4　環(huán)境催化的特征 　　　　013 　 1.2.5　環(huán)境催化作為新發(fā)明的推動力 　　　014 　 1.2.6　環(huán)境催化促進可持續(xù)工業(yè)化學的發(fā)展 　　015 　 1.2.7　固體廢物轉(zhuǎn)化領域中的環(huán)境催化 　　　016 　 1.2.8　室內(nèi)空氣質(zhì)量改進中的環(huán)境催化 　　　017 　 1.2.9　減少溫室氣體排放 　　　017 　 1.2.10　用于水補救的環(huán)境催化技術 　　　018 　 1.2.11　環(huán)境有害催化劑的替代 　　　 018 1.3　催化劑和反應器的結(jié)構化 　　　019 　 1.3.1　催化反應工程的要求 　　　019 　 1.3.2　環(huán)境催化反應特點和要求 　　　020 　 1.3.3　結(jié)構催化劑和結(jié)構反應器的發(fā)展 　　　021 　 1.3.4　結(jié)構催化劑和結(jié)構反應器的基本類型 　　024 　 1.3.5　獨居石催化劑 　　　　 025 1.3.6有序排列催化劑 　　　　 028 1.3.7膜反應器 　　　　 029 1.3.8結(jié)構催化劑的未來 　　　 031 1.4　本書的寫作思路和特色 　　　032 第2章 結(jié)構基體、結(jié)構催化劑和結(jié)構反應器 2.1　引言 　　　　 034 2.2　結(jié)構填料 　　　　034 　 2.2.1　多相催化反應器的結(jié)構內(nèi)構件 　　　034 　 2.2.2　分離過程用結(jié)構填料 　　　035 　 2.2.3　催化反應用結(jié)構填料 　　　 036 2.3　獨居石結(jié)構（催化劑或反應器） 　　　037 　 2.3.1　基本定義和分類 　　　　037 　 2.3.2　獨居石的構型和基本性質(zhì) 　　　 039 2.3.3　獨居石結(jié)構催化劑的優(yōu)缺點 　　　 041 2.4　金屬結(jié)構填料 　　　　045 　 2.4.1　波紋填料——開放錯流結(jié)構 　　　045 　 2.4.2　波紋填料——封閉錯流結(jié)構（CCFS） 　　047 　 2.4.3　反應蒸餾用結(jié)構填料 　　　047 　 2.4.4　編織線結(jié)構填料 　　　　049 　 2.4.5　發(fā)泡體 　　　　 049 2.5　纖維結(jié)構催化劑和反應器 　　　049 　 2.5.1　引言 　　　　049 　 2.5.2　金屬纖維 　　　　052 　 2.5.3　玻璃纖維 　　　　053 　 2.5.4　碳纖維 　　　　054 　 2.5.5　纖維結(jié)構的幾何性質(zhì) 　　　055 　 2.5.6　纖維和布催化劑的應用 　　　 056 2.6　有序排列催化劑反應器 　　　057 　 2.6.1　前言 　　　　057 　 2.6.2　平行通道和橫向流動反應器的原理和特征 　　 057 2.7　膜反應器 　　　　059 第3章 結(jié)構催化劑和反應器中的傳遞現(xiàn)象 3.1　氣固獨居石反應器中的熱量和質(zhì)量傳遞 　　　063 　 3.1.1　影響熱量傳遞的因素 　　　063 　 3.1.2　蜂窩獨居石中的熱導率 　　　064 　 3.1.3　獨居石通道中的對流傳熱關聯(lián) 　　　066 　 3.1.4　獨居石催化劑的有效因子 　　　067 　 3.1.5　獨居石反應器最佳幾何體選擇 　　　069 　 3.1.6　獨居石反應器中的氣固傳質(zhì) 　　　071 　 3.1.7　管道中氣體流動的壓力降 　　　 073 3.2　平行通道反應器（PPR）中的流動和傳遞現(xiàn)象 　　074 　 3.2.1　壓力降 　　　　074 　 3.2.2　PPR中的傳質(zhì)阻力 　　　075 　 3.2.3　顆粒內(nèi)傳質(zhì) 　　　　075 　 3.2.4　有效床層內(nèi)擴散率 　　　076 　 3.2.5　橫向流動對傳質(zhì)的貢獻 　　　077 　 3.2.6　催化劑床層的利用率 　　　078 　 3.2.7　對 PPR的討論 　　　　 079 3.3　橫向流動反應器（LFR）中的流動和傳遞現(xiàn)象 　　080 　 3.3.1　壓力降 　　　　080 　 3.3.2　停留時間分布 　　　　080 　 3.3.3　PPR結(jié)構反應器床層中的結(jié)垢行為 　　　082 　 3.3.4　橫向流動反應器（LFR）中的結(jié)垢 　　　 083 3.4　多相獨居石反應器的水力學特征 　　　 084 3.4.1　流區(qū) 　　　　084 　 3.4.2　壓力降 　　　　089 　 3.4.3　液體滯留 　　　　091 　 3.4.4　停留時間分布（RTD） 　　　092 　 3.4.5　軸向和徑向離散 　　　　 093 3.5　多相獨居石反應器中的傳質(zhì)和傳熱 　　　094 　 3.5.1　液固傳質(zhì) 　　　　094 　 3.5.2　氣液傳質(zhì) 　　 096 3.5.3　氣固傳質(zhì) 　　　　 099 3.6　從傳遞角度討論獨居石反應器性能 　　　099 　 3.6.1　引言 　　　　099 3.6.2　獨居石反應器模型 　　　099 3.6.3　蜂窩獨居石反應器和常用反應器的比較 　　 100 3.7　其他多相結(jié)構填料中的傳遞現(xiàn)象介紹 　　　102 　 3.7.1　流區(qū) 　　　　102 　 3.7.2　壓力降和液體滯留 　　　103 　 3.7.3　氣 -液傳質(zhì)和界面面積 　　　103 　 3.7.4　液 -固傳質(zhì)速率 　　　　103 　 3.7.5　停留時間分布（RTD） 　　　104 3.7.6　熱傳輸 　　　　104 　 3.7.7　不同結(jié)構填料間的比較 　　　 104 3.8　其他結(jié)構填料的水力學和傳遞 　　　106 　 3.8.1　波紋填料：開放錯流結(jié)構（OCFS） 　　　106 　 3.8.2　封閉錯流結(jié)構波紋填料（CCFS）及其流體力學特性 　　109 　 3.8.3　編織線結(jié)構填料及其流體力學特性 　　　110 　 3.8.4　金屬、陶瓷和石墨發(fā)泡體 　　　111 3.8.5　纖維材料上的傳質(zhì)和流體力學 　　　113 第4章 結(jié)構催化劑的制備 4.1　陶瓷蜂窩獨居石基體的制造 　　　115 4.1.1　引言 　　　　115 　 4.1.2　擠壓技術生產(chǎn)陶瓷蜂窩獨居石 　　　117 4.1.3　低表面積獨居石基體的制造 　　　118 4.1.4　高表面積獨居石基體的制造 　　　120 4.1.5　整體獨居石催化劑 　　　 122 4.2　金屬獨居石基體的制造 　　　122 　 4.2.1　金屬基質(zhì) 　　　　123 　 4.2.2　金屬獨居石設計和制造 　　　 125 4.3　陶瓷蜂窩獨居石基體上載體和催化活性組分的沉積 　　126 　 4.3.1　陶瓷獨居石結(jié)構上載體層的沉積 　　　126 　 4.3.2　漿液浸泡（洗滌涂層）陶瓷獨居石 　　　127 4.3.3　陶瓷獨居石載體上催化活性組分的沉積 　　 129 4.4　金屬結(jié)構填料基體上的載體涂層 　　　131 　 4.4.1　金屬表面處理和載體涂層 　　　131 4.4.2　金屬基體上涂層的黏結(jié)性 　　　132 4.4.3　陽極氧化制備技術 　　　 132 4.5　金屬結(jié)構填料載體表面催化活性組分涂漬 　　133 　 4.5.1　催化活性組分的懸浮涂漬 　　　133 　 4.5.2　溶膠 -凝膠沉積 　　　　134 　 4.5.3　電泳沉積（EPD） 　　　135 4.5.4　電化學沉積和化學鍍 　　　135 4.5.5　浸漬 　　　　136 　 4.5.6　催化活性組分沉積的組合技術 　　　 136 4.6　碳蜂窩獨居石的制造 　　　　139 4.6.1　集成或整體碳蜂窩獨居石的制備 　　　139 4.6.2　碳涂層蜂窩獨居石 　　　141 　 4.6.3　在金屬表面沉積碳層 　　　 144 4.7　多孔膜制備技術 　　　　144 4.7.1　無機微孔薄膜 　　　　144 　 4.7.2　溶膠 -凝膠制備技術 　　　145 4.7.3　沸石膜的制備 　　　　147 　 4.7.4　其他微孔無機膜 　　　　153 　 4.7.5　沸石膜和溶膠 -凝膠膜的比較 　　　 154 4.8　平行流動和橫向流動結(jié)構反應器的制造 　　　154 第5章 汽車尾氣污染物的消除 5.1　背景 　　　　156 5.1.1　汽油機引擎的排放 　　　156 　 5.1.2　影響汽車尾氣的因素和可能采取的策略 　　157 　 5.1.3　法規(guī)要求 　　　　 159 5.2　汽車尾氣轉(zhuǎn)化催化劑 　　　　162 5.2.1　引言 　　　　162 　 5.2.2　TWCs中的活性組分 　　　162 5.2.3　TWCs中的氧化鋁載體 　　　163 5.2.4　TWCs中的 CeO 2-ZrO2混合氧化物 　　165 　 5.2.5　TWCs的失活 　　　　167 　 5.2.6　催化劑涂層涂漬工藝 　　　 168 5.3　汽車轉(zhuǎn)化催化劑的基體 　　　169 5.3.1　引言 　　　　169 　 5.3.2　汽車催化劑基體的要求 　　　169 　 5.3.3　汽車催化劑蜂窩獨居石載體的設計 　　　170 5.3.4　催化劑基體的大小 　　　170 　 5.3.5　汽車催化劑載體物理性質(zhì) 　　　 171 5.4　汽車催化劑基體進展 　　　　 177 5.4.1　陶瓷蜂窩獨居石 　　　　177 5.4.2　基體小結(jié) 　　　　 181 5.5　汽車尾氣催化轉(zhuǎn)換器包裝 　　　182 　 5.5.1　包裝設計 　　　　182 5.5.2　機械耐用性 　　　　185 5.5.3　熱耐用性 　　　　 186 5.6　催化轉(zhuǎn)換器操作和不同類型催化劑 　　　188 5.6.1　操作對催化轉(zhuǎn)換器效率和排放的影響 　　188 　 5.6.2　毒物效應 　　　　190 　 5.6.3　汽車引擎的啟動排放 　　　190 5.6.4　電加熱催化劑 　　　　191 5.6.5　耐高溫 TWC催化劑的發(fā)展 　　　192 5.6.6　低溫度點火催化劑 　　　192 　 5.6.7　天然氣引擎尾氣凈化催化劑 　　　193 　 5.6.8　摩托車輛尾氣凈化催化劑 　　　 193 5.7　車載診斷和貧燃脫 NO x催化劑 　　　194 　 5.7.1　車載診斷 　　　　194 5.7.2　貧燃操作脫 NO x催化劑 　　　195 　 5.7.3　NO x存儲和釋放 　　　　198 　 5.7.4　NSR催化劑 　　　　199 　 5.7.5　使用尿素的選擇性催化 NO x的還原催化劑 　　200 　 5.7.6　其他貧燃 DeNO x催化劑 　　　202 　 5.7.7　雙功能貧燃 DeNO x催化劑 　　　 202 5.8　汽車尾氣催化轉(zhuǎn)換器的數(shù)學模型 　　　204 　 5.8.1　獨居石反應器模型層次的選擇 　　　204 　 5.8.2　單一通道層次數(shù)學模型 　　　205 5.8.3　1D，2D和 3D模型 　　　207 5.8.4　動態(tài)/瞬態(tài)行為模擬 　　　210 　 5.8.5　催化轉(zhuǎn)換器的點火和累積排放 　　　210 第6章 柴油機尾氣的凈化 6.1　引言 　　　　212 6.1.1　柴油煙霧生成 　　　　212 　 6.1.2　柴油機顆粒排放物的環(huán)境和健康效應 　　213 6.1.3　控制柴油機排放物的策略 　　　 215 6.2　干柴油機煙霧氧化催化劑 　　　217 6.2.1　除煙霧的非催化方法 　　　217 6.2.2　柴油尾氣氧化催化劑 　　　218 6.2.3　直接接觸柴油機煙霧氧化催化劑 　　　220 6.2.4　燃料 -承載催化劑 　　　　 221 6.3　柴油煙霧氧化的間接接觸催化劑 　　　222 　 6.3.1　引言 　　　　 222 6.3.2　連續(xù)再生阱（continuous regeneration trap， CRT）技術 　223 6.3.3　在柴油引擎中 NO x的控制 　　　 224 6.4　柴油尾氣顆粒過濾器的設計/大小 　　　226 　 6.4.1　引言 　　　　226 6.4.2　性能要求 　　　　226 　 6.4.3　過濾器組成和微結(jié)構 　　　227 　 6.4.4　池構型和阻塞方式 　　　227 　 6.4.5　過濾器大小和外廓 　　　229 　 6.4.6　壓力降 　　　　 229 6.5　物理性質(zhì)和耐用性 　　　　232 6.5.1　物理性質(zhì) 　　　　232 　 6.5.2　熱耐用性 　　　　233 　 6.5.3　機械耐用性 　　　　 234 6.6　柴油機過濾器進展 　　　　234 6.6.1　改進堇青石“RC 200/19”過濾器 　　　234 　 6.6.2　SiC過濾器 　　　　235 6.6.3　新過濾器設計 　　　　 236 6.7　應用 　　　　237 6.7.1　催化誘導再生阱 　　　　237 　 6.7.2　連續(xù)再生阱 　　　　237 6.7.3　組合連續(xù)再生阱和催化再生阱 　　　 238 6.8　總結(jié) 　　　　239 第7章 固定源VOCs污染物的催化氧化分解 7.1　引言 　　　　240 　 7.1.1　揮發(fā)性有機碳 VOCs對環(huán)境和健康的危害 　　240 　 7.1.2　VOCs排放物的潛在源頭 　　　 240 7.2　VOCs凈化技術 　　　　241 7.2.1　熱焚燒 　　　　242 　 7.2.2　化學淋洗（吸收） 　　　242 7.2.3　吸附 　　　　242 　 7.2.4　揮發(fā)性有機化合物的氣相催化氧化 　　　242 　 7.2.5　揮發(fā)性有機化合物的凝聚 　　　243 　 7.2.6　揮發(fā)性有機化合物的光氧化 　　　243 　 7.2.7　對各種凈化技術的思考比較 　　　 243 7.3　揮發(fā)性有機化合物氧化催化劑和載體 　　　243 　 7.3.1　引言 　　　　243 　 7.3.2　揮發(fā)性有機化合物的催化氧化 　　　243 　 7.3.3　VOCs氧化催化劑的活性組分 　　　245 　 7.3.4　VOCs氧化催化劑的載體及其結(jié)構 　　　245 　 7.3.5　催化劑的失活 　　　　 246 7.4　VOCs氣相催化氧化工藝 　　　 246 7.4.1　引言 　　　　246 　 7.4.2　帶預熱交換器的單一床層 　　　247 　 7.4.3　帶再生熱交換的多床層循環(huán)操作 　　　248 　 7.4.4　反應器模型 　　　　248 　 7.4.5　正常操作期間 　　　　249 7.4.6　啟動期間 　　　　249 　 7.4.7　溫度均勻性和熱剪應力 　　　249 7.4.8　保護床層 　　　　 250 7.5　VOCs催化氧化單元操作中的一些事情 　　　250 7.5.1　環(huán)境和安全 　　　　250 　 7.5.2　在爆炸低限（LEL）以下操作 　　　250 7.5.3　燃燒器的安全系統(tǒng) 　　　250 7.5.4　操作壓力 　　　　250 7.5.5　氣流卷流和床層堆束出口速度 　　　251 　 7.5.6　催化劑分散處理 　　　　251 　 7.5.7　催化氧化器的殘留排放 　　　251 　 7.5.8　中間工廠試驗 　　　　 252 7.6　揮發(fā)性有機化合物排放物的吸附：催化氧化前的濃縮步驟 　　252 7.6.1　固定床吸附器 　　　　252 7.6.2　旋轉(zhuǎn)吸附器和其他移動床構型 　　　252 　 7.6.3　吸附和焚燒組合于單一個固定床中 　　　253 7.6.4　VOCs氧化的吸附 -催化流向轉(zhuǎn)換工藝 　　 253 7.7　VOCs催化氧化技術的實例研究 　　　254 　 7.7.1　含氯揮發(fā)性有機物的催化氧化分解 　　　254 7.7.2　纖維催化劑應用 　　　　254 7.7.3　在憎水錳鉀礦型八面分子篩上的苯氧化 　　256 7.7.4　鄰二甲苯在鉑 -和鈀 -沸石催化劑上的氧化 　　256 7.7.5　使用鈣鈦礦作為 VOCs的氧化催化劑 　　256 　 7.7.6　高溫短接觸時間 VOCs催化焚燒器 　　　257 7.7.7　VOCs脫結(jié)構的整體催化/吸附過程 　　　257 7.7.8　在金/鈰氧化物催化劑上的 VOCs氧化 　　257 　 7.7.9　貴金屬/天然絲光沸石上的 VOCs氧化 　　258 第8章　固定源氮氧化物的脫除 8.1　引言 　　　　 262 8.2　SCR過程 　　　　263 8.2.1　SCR化學 -氮氧化物的選擇性催化還原 　　 263 8.2.2 SCR催化劑活性組分 　　　 264 8.2.3發(fā)電廠煙道氣凈化 SCR反應器的構型 　　 265 8.2.4氣體透平應用的 SCR過程 (GTNOx )　　　 266 8.3　商業(yè)獨居石型 SCR催化劑 　　　268 8.3.1　本體和涂層蜂窩型催化劑 　　　 268 8.3.2　板型催化劑 　　　　269 8.3.3　其他催化劑 　　　　270 8.3.4　SCR催化劑的失活 　　　 270 8.4　獨居石催化劑的催化行為和 SCR反應的動力學 　　271 8.4.1　操作變量的影響 　　　　271 　 8.4.2　SCR反應的機理 　　　　272 　 8.4.3　SCR反應的穩(wěn)態(tài)動力學 　　　273 8.4.4　脫 NO 2反應的非穩(wěn)態(tài)動力學 　　　274 8.4.5　獨居石催化劑中 SCR反應的內(nèi)外傳質(zhì)限制 　　 275 8.5　SCR獨居石反應器的模型 　　　276 　 8.5.1　SCR獨居石反應器的穩(wěn)定態(tài)模型 　　　277 　 8.5.2　脫 NO x反應和 SO2氧化間的相互作用 　　 279 8.6　SCR催化劑和反應器設計 　　　279 8.6.1　催化劑形貌的影響 　　　279 　 8.6.2　獨居石通道幾何形狀的影響 　　　280 8.6.3　氨入口濃度不均勻性的影響 　　　 281 8.7　SCR催化劑的非穩(wěn)定態(tài)操作 　　　281 8.7.1　非穩(wěn)定態(tài)條件下的 SCR獨居石反應器模型 　　282 8.7.2　逆流 SCR 　　　　284 　 8.7.3　使用 Ljungstroem空氣加熱器的 SCR 　　 285 8.8　SCONO x工藝 　　　　285 第9章 低 NO x排放的催化燃料燃燒 9.1　引言 　　　　289 　 9.1.1　燃燒產(chǎn)生排放 　　　　289 　 9.1.2　排放物消除策略 　　　　290 　 9.1.3　氣體透平 　　　　291 9.1.4　低 NO x燃燒器 　　　　 292 9.2　催化燃燒 　　　　292 　 9.2.1　機理和動力學 　　　　293 　 9.2.2　獨居石催化燃燒器模型 　　　294 　 9.2.3　燃料效應 　　　　295 9.2.4　催化燃燒的其他應用 　　　 296 9.3　催化燃燒器 　　　　297 　 9.3.1　催化燃燒室 　　　　297 9.3.2　要求 　　　　297 9.3.3　系統(tǒng)構型 　　　　 298 9.4　催化材料 　　　　300 　 9.4.1　引言 　　　　300 　 9.4.2　獨居石基體 　　　　301 　 9.4.3　涂層材料 　　　　302 　 9.4.4　活性組分 　　　　 303 9.5　商業(yè)狀態(tài)和未來趨勢 　　　　303 　 9.5.1　商業(yè)狀態(tài) 　　　　303 　 9.5.2　未來趨勢 　　　　304 第10章　催化結(jié)構過濾器凈化爐氣 10.1　引言 　　　　305 10.1.1　多功能反應器 　　　　305 　 10.1.2　催化過濾器：基本概念 　　　 305 10.2　高溫無機過濾器市場 　　　 306 10.3　催化過濾器的制備 　　　　 308 10.4　催化過濾器的應用機遇 　　　310 　 10.4.1　耦合 NO x還原和飛灰過濾 　　　310 　 10.4.2　同時濾去飛灰、移去二 英和其他 VOCs 　　313 　 10.4.3　合成氣凈化 　　　　315 10.4.4　柴油尾氣處理和其他潛在應用 　　　 316 10.5　工程和模型 　　　　318 第11章　結(jié)構催化劑和反應器的其他應用 11.1　平行流反應器（PPR）和橫流反應器（LFR）的工業(yè)應用 　　320 　 11.1.1　Shell爐氣脫硫過程（SFGD） 　　　320 　 11.1.2　硫和氮氧化物同時移去 　　　321 11.1.3　低溫 NO x還原過程 　　　 321 11.2　結(jié)構催化劑應用于改進室內(nèi)空氣質(zhì)量 　　　322 11.2.1　室內(nèi)空氣的污染源 　　　322 　 11.2.2　室溫分解臭氧的散熱器催化劑 　　　322 11.2.3　獨居石光催化劑 　　　 323 11.3　結(jié)構催化劑應用于催化傳感器 　　　 328 11.4　質(zhì)子交換膜燃料電池中的結(jié)構催化劑 　　　 329 11.5　催化濕式氧化（CWAO）降解水污染物 　　329 　 11.5.1　引言 　　　　329 　11.5.2　催化劑 　　　　331 11.5.3　CWAO工藝過程 　　　333 　 11.5.4　獨居石催化劑和反應器在 CWAO過程中的應用 　　334 　 11.5.5　水補救技術 　　　　 336 11.6　光催化降解水中污染物 　　　339 　 11.6.1　半導體光催化基礎 　　　339 　 11.6.2　光催化降解催化劑 　　　341 　 11.6.3　光化學反應器 　　　　 342 11.7　結(jié)構催化劑的合成應用 　　　344 　 11.7.1　引言 　　　　344 　 11.7.2　獨居石催化劑在短接觸時間反應器中的應用 　　344 　 11.7.3　獨居石催化劑在需求低壓力降反應中的應用 　　 345 11.7.4　獨居石催化劑在粒內(nèi)傳質(zhì)控制反應中的應用 　　347 　 11.7.5　有良好熱傳導的獨居石催化劑 　　　348 11.7.6　獨居石催化劑在三相催化過程中的應用 　　350 　 11.7.7　獨居石反應器在生物技術中的應用 　　 352 11.8　無機膜的應用 　　　　354 11.8.1　離子傳輸膜的應用 　　　354 　 11.8.2　致密 Pd膜和合金膜的應用 　　　358 11.8.3　沸石膜的應用 　　　　359 參考文獻 　　　　　 360