宋春雨

(重庆化工职业学院 化学工程学院，重庆 401228)

等离子体与催化剂结合去除VOCs是近年来备受关注的一种技术，臭氧氧化技术可应用于起燃温度低的低浓度VOCs的处理。臭氧必须在适宜温度下进行，较高温度会使臭氧迅速分解为氧气，因此将臭氧与催化剂结合，在低温下产生协同作用，能达到良好的催化氧化效果。低温等离子体催化氧化技术适用于低浓度VOCs的净化，在常压常温下反应迅速，具有良好的应用前景。本实验就对臭氧等离子等温催化氧化甲苯进行了实验研究。

1 仪器与方法

1.1 实验原料和设备

气相色谱(SP-6890)，马弗炉(SX2-4-10)，臭氧发生器，鼓风干燥箱，电子恒温水浴锅(DZKW-4)，氧化铝，硝酸铜(AR级)，硝酸锰(AR级)，硝酸铈(AR级)，甲苯(AR级)。

1.2 催化剂的制备

本实验采用热吸附法制备催化剂，活性组分选用硝酸铜、硝酸锰、硝酸铈的单一或组合，将其配置成溶液；将γ-Al2O3载体放入溶液中浸渍24h，加热煮沸，将浸渍后的γ-Al2O3于鼓风干燥箱中110℃下干燥12h，后置于马弗炉中在550℃下焙烧5h。

1.3 催化剂性能评价

臭氧低温催化氧化低浓度甲苯的评价装置如图1所示。来自钢瓶的氮气，一路通过质量流量计通入置于水浴锅里的甲苯鼓泡瓶，产生甲苯，另一路作为平衡气与甲苯混合。氧气经臭氧发生器产生臭氧，与甲苯氮气混合后进入反应器，进行臭氧催化氧化。原料和尾气都经臭氧分析仪检和气相色谱分别检测臭氧及甲苯浓度。对比实验中，甲苯氮气直接进入反应器进行催化氧化，不于臭氧混合，原料气和尾气测定甲苯浓度。

1.4 气相色谱检测条件

图1 催化剂性能评价简图

2 结果与讨论

2.1 不同活性组分对催化剂性能的影响

实验中甲苯浓度为15mg/L，臭氧浓度为3.0mg/L，催化剂用量为0.5mL，空速为10000h-1。采用热吸附法分别制备以γ-Al2O3为载体，活性组分为CuO、MnO2及物质的量比为1∶1的铜锰复合氧化物催化剂，其中均为负载量5%。评价结果如图2。

图2 臭氧对不同活性组分催化剂性能的影响

由图2可知，有臭氧存在的情况下，催化剂在30～110℃范围内可对甲苯产生良好的催化效果，无臭氧存在时，要达到相同催化效果，温度需要60～220℃，臭氧的存在可降低反应温度，且臭氧的存在可以可改善铜锰复合氧化物催化剂的催化效果，使其要优于活性组分为CuO、MnO2的催化剂，表明臭氧可起到增强金属协同效果的作用。

2.2 负载量对催化剂性能的影响

上述实验中活性较强的物质的量比Cu∶Mn=1∶1的复合氧化物催化剂，分别制备不同负载量的5组催化剂，负载量分别为1%、3%、5%、7%、10%。活性评价结果如图3所示。

图3 不同负载量对催化剂性能的影响

活性组分添加量的不同，会影响催化剂的活性。由图3可知，低浓度负载时，催化剂的活性随着负载量的增加而增强。当负载量超过5%以后，活性的增加速率变小，原因是活性组分较少时，活性组分能均匀分布在载体上。活性组分过多时，会堵塞催化剂孔道，当负载量继续增大，还会造成催化效率下低，由此确定最佳负载量为5%。

2.3 负载量对催化剂性能的影响

实验中所用催化剂选用Cu、Mn两种活性组分，制备物质的量比Cu∶Mn=1∶1的复合氧化物催化剂，负载量为5%，考察不同的焙烧温度，对催化剂活性的影响。活性评价结果如图4所示。

由图4可知，当焙烧温度低于500℃时，随着温度升高，催化剂活性提高，在500℃时活性达到最强，原因是较低的焙烧温度使复合氧化物催化剂无法形成稳定化合物。当焙烧温度过高时，会改变催化剂活性组分价态，亦或使催化剂烧结，造成催化剂活性明显下降。因此选择500℃的焙烧温度为最适宜温度。

图4 不同焙烧温度对催化剂性能的影响

3 结论

本实验采用热吸附法制备催化剂，活性组分选用硝酸铜、硝酸锰、硝酸铈的单一或组合，对臭氧等离子体等温催化氧化甲苯进行了催化剂性能评价。实验结果表明，有臭氧存在下，催化剂的反应温度明显下降，且活性组分为物质的量比Cu∶Mn=1∶1的复合氧化物、最佳负载量为5%、焙烧温度在500℃时，催化剂的活性最佳。