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延迟催化剂_聚氨酯催化剂-新典化学

环境保护催化剂

2018/5/24 15:08:40      点击:
环境保护催化剂
催化剂
定义
能改变反应速率,而本身的组成、质量和化学性质在反应前后均不发生变化的物质叫做催化剂
加快反应的为正催化剂,减慢反应的为负催化剂
特点
催化剂只能实现热力学上可以发生的反应
催化剂只能缩短或延长到达平衡的时间,而不能改变转化率
催化剂具有选择性
催化剂是第一步的反应物,最后一步的产物,即经过一次化学循环后又恢复到原来的
催化剂的历史
催化剂工业发展史与工业催化过程的开发及演变有密切关系。1740年英国医生J.沃德在伦敦附近建立了一座燃烧硫磺和硝石制硫酸的工厂,1746年英国J.罗巴克建立了铅室反应器,生产过程中由硝石产生的氧化氮实际上是一种气态的催化剂,这是利用催化技术从事工业规模生产的开端。1831年P.菲利普斯获得二氧化硫在铂上氧化成三氧化硫的英国专利。19世纪60年代,开发了用氯化铜为催化剂使氯化氢进行氧化以制取氯气的迪肯过程。1875年德国人E.雅各布在克罗伊茨纳赫建立了第一座生产发烟硫酸的接触法装置,并制造所需的铂催化剂,这是固体工业催化剂的先驱。铂是第一个工业催化剂,现在铂仍然是许多重要工业催化剂中的催化活性组分。19世纪,催化剂工业的产品品种少,都采用手工作坊的生产方式。由于催化剂在化工生产中的重要作用,自工业催化剂问世以来,其制造方法就被视为秘密。
环境问题是一个全球问题,要靠全世界每一个人的努力来解决。随着世界经济、科技的不断发展和社会文明的不断进步,人们的物质需求也在一天天增长。汽车是现代社会最普及的交通工具,特别是近年来私家车越来越多,带来了很多问题,其中环境问题是不容忽视的。汽车的使用对环境的污染主要有噪音污染和尾气排放造成的空气污染。在我国,汽车尾气净化是解决尾气排放污染的最有效方法。汽车排放的污染物主要来源于内燃机,其有害成分包括一氧化碳(CO)、碳氢化合物(CH)、氮氧化合物(NOx)、硫氢化合物和臭氧等,其中CO、HC及NOx是汽车污染控制的主要大气污染成分。汽车尾气对人类的健康危害很大,治理汽车排放污染,已成为一项刻不容缓的任务。
汽车尾气催化净化的目的就是将有害的CO和HC氧化为CO2和H2O,将NOx还原成N2。由于汽车尾气的化学成分很复杂,其转化率除和催化剂的活性有关外,还和反应气是氧化气还是还原气有关,因此催化剂在功能上分为氧化型和还原型两部分。
氧化型催化剂主要催化CO和HC的氧化反应,有关反应如下:
2CO+O22CO2
4HC+5O24CO2+2H2O
2NO+2CO2CO2+N2
HC+NO2CO2+H2O
HC+CON2+CO2+H2O
3NO+2NH32N2+3H2O
2NH3N2+3H2O
还原型催化剂主要催化NOx的还原反应:
2NO+CON2+CO2
2NO+H2N2+2H2O
2NO+HCN2+H2O+CO2
NO和H2反应除生成无毒的N2和H2O外,尚有所不希望发生的副反应:
2NO+5H22NH3+H2O
2NO+H2N2O+2H2O
因两种反应要求的化学环境不同,故早期的催化剂将两者分立。后来由于发动机的改进,实现了可使两种功能兼容的化学环境;由于催化剂制备技术的改进,使氧化与还原两种活性中心共存于同一个催化剂上,最终出现了三效催化剂TWC(three-waycatalyst)。目前最常用的催化器是使用蜂窝型催化(honeycombcatalyst),载体是陶瓷蜂窝体,其外附载有高比表面积的氧化铝涂层,其上再浸渍活性组分。所以,汽车尾气净化催化剂主要由载体、涂层及活性物质三部分组成。
20世纪70年代末到80年代中期,随着美国EPA提出对NOx的排放实行控制,氧化型催化剂己不能满足要求。出现了铂、铑三效双金属催化剂。20世纪70年代末至80年代初出现的是双床式铂、铑催化剂,催化剂的氧化还原反应是分段进行的,前段使用还原型蜂窝催化剂,后段使用氧化型蜂窝催化剂,两段中间补充空气。这种设置可使还原反应与氧化反应分别在有利于自身的化学气氛中进行,但该种催化器结构复杂,操作麻烦,且NOx还原后有可能重新被氧化。1980-1985年,Pt-Rh三效催化剂开始用于电喷闭环装置,将A/F控制在窗口范围内,CO、CH和NOx的转化率可达80-90﹪以上。典型催化剂的Pt-Rh总负载量为0.1-0.15﹪,Pt:Rh=5:1涂层中加入碱土和稀土元素,稳定催化剂结构并与贵金属协同产生卓越的储氧功能。但在高温时,Rh与表面涂层中的Al2O3和CeO2发生化学作用,导致催化剂在还原气氛时对NOx的还原活性下降。
20世纪80年代中期到90年代初,开始使用新一代的Pt-Rh-Pd三效催化剂。这一代催化剂相当于在一个Pd催化剂上再安置一个标准Pt-Rh催化剂。此结构中,钯在内层有更好的耐热稳定性;铑在外层更有利于NOx的还原;铂在钯铑间起积极的协调作用。故催化剂的性能有了明显改善。随着汽油质量的提高,催化剂的使用寿命也大大延长,且每升催化剂中贵金属的总量已下降到0.6-0.8g。据介绍,Engelhard开发的Tri-Metal催化剂在使用16万公里后,转化率仍可达CO85﹪,HC90﹪和NOx95﹪,显然可满足更高的环保要
20世纪80年代末,福特公司推出了三效钯催化剂,这种钯催化剂要求氧化铝和稀土氧化物与过渡金属氧化物形成有机的协和体,钯在其中发挥主导作用,通过采用特殊措施使材料具有特定结构从而使高温下的活性得以稳定。实验表明,单独Pd基催化材料在1200℃的热冲击下,催化活性依然良好。目前,这种催化剂还在进一步研制之中。Englhard公司研制了一种双层Pd基催化材料。底层由Pd和Ce构成,顶层由分散于涂层上的Pd构成。两层中都添加廉价金属氧化物以产生稳定作用,并提高Pd的活性。顶层提供低温催化活性;Pd-Ce层提供高的储氧能力以保证高温催化活性。Pd在423-823℃温度范围内对,HC、CO和NO的同时转化具有活性。ID4lB3m
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