环境保护催化与环境友好催化技术.pptx

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1、第第1页/共共63页现现代代大大都都市市的的空空气气污污染染会会不不会会再再造造成成伦伦敦敦烟烟雾雾事事件件？第第2页/共共63页石油污染最严重的地区石油污染最严重的地区-墨西哥湾墨西哥湾第第3页/共共63页酸酸雨雨使使我我国国大大量量的的林林木木被被毁毁第第4页/共共63页臭氧层是唯一保护地球生命臭氧层是唯一保护地球生命不受紫外线强烈伤害的屏障不受紫外线强烈伤害的屏障第第5页/共共63页环境催化：环境催化：指用于减少环境不容物排放的催化技术指用于减少环境不容物排放的催化技术环境催化的特点：环境催化的特点：v涉及的范围更广涉及的范围更广v推广到整个工业生产和日常生活领域中的污推广到整个工业生产

2、和日常生活领域中的污染治理染治理v反应条件苛刻反应条件苛刻第第6页/共共63页环境催化的研究内容：环境催化的研究内容：v对污染的治理对污染的治理 将污染物转化成无害物质，或回收加以将污染物转化成无害物质，或回收加以利用；利用；v在生产过程或化学反应过程中减少污染的在生产过程或化学反应过程中减少污染的排放，直至无污染排放；排放，直至无污染排放；v用新的原料、催化剂取代对环境有害的物用新的原料、催化剂取代对环境有害的物质或开辟新的副产物少、选择性高的催化反质或开辟新的副产物少、选择性高的催化反应路径。应路径。第第7页/共共63页5.2 空气污染治理的催化技术空气污染治理的催化技术影响大气环境主要污

3、染物：影响大气环境主要污染物：COx、NOx、SOx、VOCs（挥发（挥发性有机物）、微粒尘埃等。性有机物）、微粒尘埃等。第第8页/共共63页发电厂、水泥发电厂、水泥厂、工业锅炉、厂、工业锅炉、废弃物焚烧炉废弃物焚烧炉等烟囱排放的等烟囱排放的污染物污染物机动车尾气机动车尾气排放的污染排放的污染物物动态源动态源静态源静态源污染物产生源头：污染物产生源头：第第9页/共共63页动态源的净化处理和三效催化剂动态源的净化处理和三效催化剂1、汽车尾气的主要污染物、汽车尾气的主要污染物一氧化碳（）一氧化碳（）碳氢化合物（）碳氢化合物（）氮氧化物（氮氧化物（x）硫氧化物（硫氧化物（x）颗粒物（铅化合物、黑烟、

4、油雾等）颗粒物（铅化合物、黑烟、油雾等）臭气（甲醛、丙烯醛等）臭气（甲醛、丙烯醛等）第第10页/共共63页2、三效催化剂、三效催化剂TWC （Three Way Conversion Catalyst)三效催化剂：三效催化剂：以以Pt-Pd-Rh为主催化剂，能同时有效为主催化剂，能同时有效地对、和地对、和X进行催化转化。进行催化转化。第第11页/共共63页l对车用三效催化剂的主要要求对车用三效催化剂的主要要求对车用三效催化剂的主要要求对车用三效催化剂的主要要求起起起起燃燃燃燃温温温温度度度度低低低低，有有有有利利利利于于于于降降降降低低低低汽汽汽汽车车车车冷冷冷冷启启启启动动动动时时时时的的的

5、的排排排排气气气气污污污污染物排放染物排放染物排放染物排放有较高的储氧能力，以补偿过量空气系数的波动有较高的储氧能力，以补偿过量空气系数的波动有较高的储氧能力，以补偿过量空气系数的波动有较高的储氧能力，以补偿过量空气系数的波动耐高温，不易热老化耐高温，不易热老化耐高温，不易热老化耐高温，不易热老化对杂质不敏感，不易中毒对杂质不敏感，不易中毒对杂质不敏感，不易中毒对杂质不敏感，不易中毒极少产生极少产生极少产生极少产生HH2 2S S、NHNH3 3等物质等物质等物质等物质价格合适价格合适价格合适价格合适 n 三效催化剂尾气净化原理三效催化剂尾气净化原理 第第12页/共共63页 NO NOx x的

6、还原，以的还原，以NONO为例为例:NO+CO NO+CO 1/2 N1/2 N2 2+CO+CO2 2 NO+HNO+H2 2 1/2 N1/2 N2 2+H+H2 2O O RhRh对对N N2 2的的生生成成有有良良好好的的活活性性和和选选择择性性，是是催催化化剂剂的主要部分。的主要部分。l 三效催化剂上发生的化学反应三效催化剂上发生的化学反应 第第13页/共共63页 COCO和和HCHC的氧化的氧化 其他反应其他反应 CO+1/2 O CO+1/2 O2 2 COCO2 2 4HC+5O 4HC+5O2 2 4CO4CO2 2+2H+2H2 2O O PtPt，PdPd是除去是除去CO

7、,HCCO,HC的有效金属组分的有效金属组分。2HC+4H 2HC+4H2 2O O 2CO2CO2 2+H+H2 2 CO+HCO+H2 2O O COCO2 2+H+H2 2 汽汽车车尾尾气气净净化化主主要要发发生生了了氧氧化化-还还原原反反应应。三三效效催催化化转转化化器器能能同同时时降降低低3 3种种排排气气污污染染物物，只只有有在在空空燃燃比比等等于于14.614.6时时才才能能达达到到最优化最优化。因为。因为NONOx x的还原需要的还原需要H H2 2、COCO和和HCHC等作为还原剂。等作为还原剂。第第14页/共共63页三效催化剂组成三效催化剂组成第一载体第一载体第二载体第二载

8、体活性组分活性组分第第15页/共共63页（一）第一载体（一）第一载体1、陶瓷材料（多孔堇青石）、陶瓷材料（多孔堇青石）组成：组成：2MgO2Al2O35SiO2）特点：抗热冲击性能优越，具有很特点：抗热冲击性能优越，具有很低的热膨胀系数。低的热膨胀系数。2、合金载体（不锈钢、合金载体（不锈钢、Ni-Cr，Fe-Cr-Al）特点：机械强度大，传热快、抗震性好、特点：机械强度大，传热快、抗震性好、压降低、寿命长等。压降低、寿命长等。第第16页/共共63页（二）第二载体（涂层）（二）第二载体（涂层）-得到高的比表面积得到高的比表面积涂层材料须满足的条件：涂层材料须满足的条件：v有较高的热稳定性有较高

9、的热稳定性v 增强涂层中某重要组分的热稳定性增强涂层中某重要组分的热稳定性v 协助或改善某些催化组分的功能协助或改善某些催化组分的功能常用涂层材料：常用涂层材料：Al2O3、SiO2、MgO、CeO2、ZrO2、La2O3等等第第17页/共共63页（三）贵金属活性组分（三）贵金属活性组分 目前普遍采用目前普遍采用Pt、Rh、Pd贵金属贵金属作活性组分。作活性组分。Pt：能有效促进：能有效促进CO和和HC的氧化催化的氧化催化Rh：主要催化：主要催化NOX的还原的还原Pd：主要用于催化：主要用于催化CO和和HC的转化的转化第第18页/共共63页三效催化剂的性能影响因素及失活三效催化剂的性能影响因素

10、及失活性能影响因素：性能影响因素：载体选择及设计、基面涂层、活性贵载体选择及设计、基面涂层、活性贵金属的配比、整体催化剂的制备方法等，还金属的配比、整体催化剂的制备方法等，还包括转化器的结构设计及操作运转情况。包括转化器的结构设计及操作运转情况。失活：失活：基质破裂、基面涂层相变、活性组基质破裂、基面涂层相变、活性组分迁移、贵金属烧结等。分迁移、贵金属烧结等。第第19页/共共63页催催催催化化化化转转转转化化化化率率率率不不不不能能能能满满满满足足足足更更更更苛苛苛苛刻刻刻刻的的的的要要要要求求求求。大大大大多多多多数数数数催催催催化化化化剂剂剂剂高高高高温活性好，低温活性差，这极大地影响催化

11、转化效果。温活性好，低温活性差，这极大地影响催化转化效果。温活性好，低温活性差，这极大地影响催化转化效果。温活性好，低温活性差，这极大地影响催化转化效果。催催催催化化化化剂剂剂剂易易易易热热热热失失失失效效效效、中中中中毒毒毒毒失失失失效效效效。热热热热失失失失效效效效催催催催化化化化剂剂剂剂在在在在高高高高温温温温作作作作用下发生烧结和晶粒长大，导致活性下降。用下发生烧结和晶粒长大，导致活性下降。用下发生烧结和晶粒长大，导致活性下降。用下发生烧结和晶粒长大，导致活性下降。催催催催化化化化剂剂剂剂中中中中毒毒毒毒失失失失效效效效可可可可以以以以分分分分成成成成化化化化学学学学中中中中毒毒毒毒和

12、和和和机机机机械械械械中中中中毒毒毒毒。高高高高温温温温下下下下催催催催化化化化剂剂剂剂的的的的热热热热劣劣劣劣化化化化和和和和S S、P P、PbPb中中中中毒毒毒毒极极极极大大大大地地地地缩缩缩缩短短短短了了了了催催催催化剂的使用寿命。化剂的使用寿命。化剂的使用寿命。化剂的使用寿命。冷冷冷冷启启启启动动动动问问问问题题题题，汽汽汽汽车车车车尾尾尾尾气气气气中中中中60%60%80%80%的的的的有有有有毒毒毒毒气气气气体体体体是是是是在在在在冷冷冷冷启启启启动动动动2 2分分分分钟钟钟钟内内内内产产产产生生生生的的的的，必必必必须须须须着着着着手手手手改改改改善善善善催催催催化化化化剂剂剂

13、剂的的的的低低低低温温温温活性活性活性活性n 三效催化剂存在的问题第第20页/共共63页贫贫燃燃时时催催化化效效率率降降低低，使使常常规规的的三三效效催催化化剂剂能能控控制制COCO和和HCHC排放，但几乎无法控制排放，但几乎无法控制NONOx x的排放。的排放。通通过过NONOx x的的分分解解治治理理NONOx x不不需需要要还还原原剂剂：2NO=N2NO=N2 2+O+O2 2。但但活活化化能能太太高高，尚尚无无突突破破性性进进展展。NONOx x 催催化化还还原原效率还有待进一步提高。效率还有待进一步提高。热热稳稳定定性性不不高高。大大多多数数催催化化剂剂的的热热稳稳定定性性还还不不甚

14、甚理理想，其耐热冲击能力弱，热抗震性能差。想，其耐热冲击能力弱，热抗震性能差。当当前前汽汽车车广广泛泛应应用用的的催催化化剂剂大大多多还还是是贵贵金金属属或或贵贵金金属掺杂其他金属氧化物型，成本仍然很高。属掺杂其他金属氧化物型，成本仍然很高。第第21页/共共63页静态源的净化处理催化技术静态源的净化处理催化技术主要污染物：主要污染物：COx（CO、CO2）、）、NOx（NO、N2O、NO2）、）、SOx以及以及NH3、烃类。、烃类。vCO2和和CH4 是温室气体是温室气体vNOx与烃类相互作用导致光化学烟雾与烃类相互作用导致光化学烟雾vSOx、NOx会产生酸雨，破坏生态环境会产生酸雨，破坏生态

15、环境第第22页/共共63页v光化学反应使光化学反应使NO2分解为分解为NO和和O3，大气中臭氧对人大气中臭氧对人体健康十分有害。体健康十分有害。v光化学烟雾中对植物有害的成分主要为臭氧和氮氧化光化学烟雾中对植物有害的成分主要为臭氧和氮氧化合物：臭氧浓度超过合物：臭氧浓度超过0.1ppm时便对植物产生危害。时便对植物产生危害。NO2浓度达浓度达1ppm时，某些植物便会受害。时，某些植物便会受害。v氮氧化物在大气的催化反应中可形成硝酸。氮氧化物在大气的催化反应中可形成硝酸。v美国光化学烟雾对农业和林业的危害曾波及美国光化学烟雾对农业和林业的危害曾波及27个州。个州。v1952年美国洛杉矶发生光化学

16、烟雾，附近农作物一夜年美国洛杉矶发生光化学烟雾，附近农作物一夜之间严重受害；之间严重受害；6.5万公顷的森林，万公顷的森林，29严重受害，严重受害，33中等受害，其余中等受害，其余38也受轻度损害。也受轻度损害。第第23页/共共63页不同浓度的不同浓度的NO2对人体健康的影响对人体健康的影响第第24页/共共63页1、NO的催化分解的催化分解 必须使用催化剂加速分解，常用的催必须使用催化剂加速分解，常用的催化剂为：化剂为：Pt/Al2O3及一些非负载型的过渡及一些非负载型的过渡金属氧化物，例如金属氧化物，例如Co3O4、NiO、Fe2O3和和ZrO2等。等。第第25页/共共63页2、NOx的催化

17、还原脱除的催化还原脱除-选择性催化还原法选择性催化还原法(SCR)还原剂还原剂:NH3 还原产物还原产物:N2 和和H2O催化剂催化剂:一般为过渡金属氧化物，负载于载体上一般为过渡金属氧化物，负载于载体上如如TiO2/SiO2,V2O5/SiO2,MoO3/Al2O3等。等。第第26页/共共63页SCR法优点：法优点：(1)还原剂基本上不与氧反应，避免了无谓消还原剂基本上不与氧反应，避免了无谓消耗，同时大大减小了反应热，催化床温度变耗，同时大大减小了反应热，催化床温度变化小易于控制；化小易于控制；(2)催化剂易得，选择余地大；催化剂易得，选择余地大；(3)还原剂还原剂NH3相对易得，起燃温度低

18、反应热相对易得，起燃温度低反应热低，床温通常低于低，床温通常低于300,有利于延长催化剂寿有利于延长催化剂寿命和降低反应器对材料要求。命和降低反应器对材料要求。第第27页/共共63页SCR催化技术工业应用催化技术工业应用 根据催化剂反应器在锅炉尾部烟道的位置根据催化剂反应器在锅炉尾部烟道的位置,有三种方案有三种方案:(1)SCR单元直接至于锅炉之后，净化烟道气单元直接至于锅炉之后，净化烟道气(2)在静电除尘器和空气预热器之间在静电除尘器和空气预热器之间(3)布置在布置在FGD(湿法烟气脱硫装置湿法烟气脱硫装置)之后之后第第28页/共共63页静电除尘器静电除尘器NH3储罐蒸发器储罐蒸发器去湿法烟

19、气脱去湿法烟气脱硫系统硫系统NH3NH3锅炉锅炉SCR反应器反应器空气预热器空气预热器空气空气NH3+空气空气SCR反应器置于空气预热器前的高尘烟气中反应器置于空气预热器前的高尘烟气中第第29页/共共63页SCR反应器置于空气预热器与静电除尘器之间反应器置于空气预热器与静电除尘器之间锅炉锅炉静电除静电除尘器尘器SCR反应器反应器空气预热器空气预热器NH3NH3+空气空气湿法烟湿法烟气脱硫气脱硫系统系统空气空气去烟囱去烟囱空气空气NH3储罐蒸发器储罐蒸发器第第30页/共共63页SCR反应器反应器布置在布置在FGD(湿法烟气脱硫装置湿法烟气脱硫装置)之后之后锅炉锅炉静电除静电除尘器尘器SCR反应器

20、反应器空气预热器空气预热器NH3NH3+空气空气湿法烟湿法烟气脱硫气脱硫系统系统空气空气气气/气加热器气加热器去烟囱去烟囱空气气/油燃烧器或蒸汽换热器NH3储罐蒸发器储罐蒸发器第第31页/共共63页 除除TiOTiO2 2或或TiOTiO2 2/SiO/SiO2 2担担载载的的V V2 2O O5 5非非贵贵金金属属催催化化剂剂外外，也也可可用用贵贵金金属属作作SCRSCR反反应应催催化化剂剂。但但贵贵金金属属催催化化剂剂容容易易因因重重金金属属、磷磷和和砷砷而而中中毒毒，因因SOSOx x、卤卤素素而而失失活活，因因飞飞尘尘而而被被污污染染，因因而而在在SCRSCR反反应应中中受受到到限限制

21、制。此此外外，还还有有一一些些新新型型催催化化剂剂，如如分分子子筛筛催催化化剂剂、碳碳作作载载体体的的催催化化剂剂、氧氧化化铬铬催催化化剂剂、混混合合氧氧化化物物催催化化剂剂等等。用用NHNH3 3作作还还原原剂剂的的催催化化剂剂，由由于于NHNH3 3价价格格较较高高，而而且且在在未未完完全全反反应应的的情情况况下下会会带带来来二二次次污污染染，还还需需进进一一步步开开发新的催化技术。发新的催化技术。第第32页/共共63页l工业上催化法脱硫消除烟道气中的工业上催化法脱硫消除烟道气中的O O2 2 用钒催化剂的催化氧化法用钒催化剂的催化氧化法 活性炭催化法活性炭催化法 第第33页/共共63页n

22、 催化脱硫催化剂 l l 单一金属氧化物脱硫单一金属氧化物脱硫 l l 尖晶石型复合金属氧化物脱硫尖晶石型复合金属氧化物脱硫 l l 层状双羟基复合金属氧化物（层状双羟基复合金属氧化物（LDHLDH）目前正在研究的催化剂有以下几种：目前正在研究的催化剂有以下几种：第第34页/共共63页由由由由于于于于热热热热电电电电厂厂厂厂烟烟烟烟道道道道气气气气中中中中同同同同时时时时含含含含NONOx x和和和和SOSOx x，因因因因而而而而迫迫迫迫切切切切需需需需要要要要开开开开发发发发同同同同时时时时消消消消除除除除NONOx x和和和和SOSOx x的的的的技技技技术术术术。但但但但目目目目前前前

23、前实实实实际际际际使使使使用用用用的的的的装装装装置置置置仍仍仍仍是分步进行。是分步进行。是分步进行。是分步进行。例例如如以以煤煤为为燃燃料料的的电电厂厂一一般般可可先先用用前前述述的的SCRSCR法法除除去去NONOx x，然然后后用石灰石法除去用石灰石法除去SOSOx x，但此类装置的设计十分复杂。，但此类装置的设计十分复杂。亟亟待待开开发发出出一一种种新新的的NONOx x/SO/SOx x消消除除技技术术，将将SCRSCR和和SOSO2 2氧氧化成化成H H2 2SOSO4 4相结合。相结合。n同时催化脱除同时催化脱除SOx和和NOx第第35页/共共63页V V2 2O O5 5在在4

24、00400450450对对SOSOx x氧氧化化反反应应转转化化率率高高且且稳稳定定，能能与与SCRSCR除除NONOx x二催化剂相配合。二催化剂相配合。烟道气先经高温电除尘装置（烟道气先经高温电除尘装置（460460）进入除进入除NONOx x反应器反应器 进入反应器的后半段，进行进入反应器的后半段，进行SOSO2 2氧化为氧化为SOSO3 3的转化的转化 经几段冷却，其中经几段冷却，其中SOSOx x与水蒸气与水蒸气结合产生硫酸，然后用冷凝法结合产生硫酸，然后用冷凝法回收，可得到回收，可得到70%70%的工业硫酸的工业硫酸 第第36页/共共63页5.3 工业废液的催化净化技术工业废液的催

25、化净化技术工业废水对环境的冲击工业废水对环境的冲击v 工工业业的的发发展展造造成成了了越越来来越越严严重重的的环环境境污污染染，水水体体中大量污染物严重威胁着人类自身的健康。中大量污染物严重威胁着人类自身的健康。v 1994年年以以来来，美美国国在在饮饮用用水水中中发发现现了了100多多种种合合成成有有机机物物，如如多多氯氯联联苯苯、多多环环芳芳烃烃等等，具具有有“三三致致”作用作用(致癌、致突变、致畸致癌、致突变、致畸)。v 根根据据我我国国1998年年对对全全国国109700公公里里河河流流进进行行的的评评价价，我我国国河河流流长长度度有有70.6%被被污污染染，其其中中有有机机污污染是一

26、个不可忽视的因素。染是一个不可忽视的因素。第第37页/共共63页第第38页/共共63页第第39页/共共63页第第40页/共共63页催化处理趋于废弃物最少催化处理趋于废弃物最少遵循遵循4R原则：原则：减少（减少（reduction）再用再用 (reuse)再循环再循环(recycling)再回收再回收(recovery)零排放零排放第第41页/共共63页和和CWAO 湿空气氧化（湿空气氧化（WAO）是处理含有毒物）是处理含有毒物或高有机物废水的重要技术。或高有机物废水的重要技术。WAO是在高温（是在高温（125320）、加压）、加压（0.520MPa）条件下的液相氧化，采用气相）条件下的液相氧化

27、，采用气相氧源（常用空气）。氧源（常用空气）。高温加压目的：强化氧在液相中的溶解高温加压目的：强化氧在液相中的溶解度、保持水处于液相。度、保持水处于液相。第第42页/共共63页 有机废弃物经有机废弃物经WAO氧化成氧化成CO2和和H2O，氮转化成氮转化成NH3、NO2或或N2，卤素和硫转化，卤素和硫转化成无机卤化物和硫酸盐。成无机卤化物和硫酸盐。影响氧化程度因素：影响氧化程度因素：温度、氧分压、停留时间和污染物在反温度、氧分压、停留时间和污染物在反应条件下的可氧化程度。应条件下的可氧化程度。第第43页/共共63页WAO的优点：的优点：v作为清洁氧化剂，适用于作为清洁氧化剂，适用于COD1010

28、0g/Lv 自成封闭系统，与环境无相互作用自成封闭系统，与环境无相互作用v 无任何的污染转移无任何的污染转移v 应用于高有机含氮和氨体系，可回收机械应用于高有机含氮和氨体系，可回收机械能，并且不需要任何辅助燃料，成为自维持能，并且不需要任何辅助燃料，成为自维持体系体系v 对比于其他热氧化法，对比于其他热氧化法，WAO需要很少的需要很少的燃料，燃料主要消耗于压缩空气动力和高压燃料，燃料主要消耗于压缩空气动力和高压液泵，采用合适的催化剂，耗能更少液泵，采用合适的催化剂，耗能更少第第44页/共共63页CWAO催化剂：催化剂：对于液相氧化反应，常以过渡金属盐作对于液相氧化反应，常以过渡金属盐作氧化催化

29、剂，如氧化催化剂，如Fe3+/Fe2+。均相铜盐均相铜盐也是最活跃的均相氧化催化剂也是最活跃的均相氧化催化剂第第45页/共共63页5.4 大气层保护与催化技术大气层保护与催化技术保护臭氧层的催化技术保护臭氧层的催化技术臭氧层的破坏：臭氧层的破坏：O3 在一些自由基（在一些自由基（FR）存）存在下，可以发生反应，再度转化为在下，可以发生反应，再度转化为O2。O3+FROFRO+O2 O +FRO FR +O2 第第46页/共共63页 地球上存在大量的氯氟烃化合物，如氯苯、地球上存在大量的氯氟烃化合物，如氯苯、氯代酚、氟利昂制冷剂等，很多作为废弃物氯代酚、氟利昂制冷剂等，很多作为废弃物排放于大气中

30、，经光照发生游离基分解，造排放于大气中，经光照发生游离基分解，造成对成对O3 层的破坏。层的破坏。CCl3F+hv Cl+CCl2FCl+O3ClO+O22ClO+OCl2+(3/2)O2第第47页/共共63页催化技术：催化技术：通常采用催化加氢脱卤素技术，通常采用催化加氢脱卤素技术，催化剂为催化剂为Pd/Al2O3。氯氟烃还可以采用光催化处理方法。氯氟烃还可以采用光催化处理方法。第第48页/共共63页控制温室效应气体排放的催化技术控制温室效应气体排放的催化技术温室效应：由于大气层中的某些气体对太阳温室效应：由于大气层中的某些气体对太阳辐射的红外线吸收而导致大气层温度升高、辐射的红外线吸收而导

31、致大气层温度升高、地球变暖的现象。地球变暖的现象。造成温室效应的有害气体：造成温室效应的有害气体：CO2（44%）、）、CH4（18%）、氯氟烃）、氯氟烃（14%）、）、NO2（6%）、其他（）、其他（13%）第第49页/共共63页措施：措施：v 利用催化技术的创新提高能源的利用率、利用催化技术的创新提高能源的利用率、用可再生能源代替化工石油能源用可再生能源代替化工石油能源v 利用催化技术实现以化石能源发电的电利用催化技术实现以化石能源发电的电站达到站达到“CO2零排放零排放”v 通过催化技术选择性催化转化通过催化技术选择性催化转化CO2为有为有用化学品用化学品v 生物法、光催化法生物法、光催

32、化法第第50页/共共63页5.6 光催化在环境科学中的应用光催化在环境科学中的应用光催化：光催化：在光的辐照下，使催化剂周围的在光的辐照下，使催化剂周围的O2和和H2O转化成及具活性的氧自由基、羟基自由转化成及具活性的氧自由基、羟基自由基，氧化力极强，几乎可分解所有对人体或基，氧化力极强，几乎可分解所有对人体或环境有害的有机物质。环境有害的有机物质。用作光催化剂的化合物大多用作光催化剂的化合物大多具有半导具有半导体性质体性质。如。如TiO2、ZnO、WO3、CdS、ZnS等。等。第第51页/共共63页光光催催化化原原理理第第52页/共共63页TiO2+hve-+h+2H2O+4h+4H+O2

33、H2O+h+OH+H+H2O2 2H+O2+2e-O2+e-O2-阳极：阳极：阴极：阴极：TiO2半导体在溶液中的基本反应式半导体在溶液中的基本反应式第第53页/共共63页光催化的应用：光催化的应用：v工业废水处理工业废水处理v室内空气污染净化室内空气污染净化第第54页/共共63页水污染治理水污染治理处理水污染的主要方法处理水污染的主要方法处理水污染的主要方法处理水污染的主要方法光催化氧化法光催化氧化法生物酶催化降解生物酶催化降解光光催催化化氧氧化化法法就就是是利利用用氧氧化化物物的的半半导导体体特特性性，在在光光的的照照射射下下吸吸附附光光子子，进进行行氧氧化化反反应应，把把有有害害化化合合

34、物物分分解解为二氧化碳、水和无机盐。为二氧化碳、水和无机盐。第第55页/共共63页半导体光催化氧化水中污染物特点半导体光催化氧化水中污染物特点半导体光催化氧化水中污染物特点半导体光催化氧化水中污染物特点l l 不不需需要要复复杂杂的的处处理理流流程程，不不产产生生进进一一步步的的化化学学污污染染，处处理理速度又比微生物法快。速度又比微生物法快。l l 半半导导体体光光催催化化氧氧化化是是非非选选择择性性氧氧化化过过程程，可可以以处处理理各各种种无无机和有机污染物，是一种广谱性的氧化处理方法。机和有机污染物，是一种广谱性的氧化处理方法。l l 半半导导体体光光催催化化氧氧化化过过程程有有可可能能

35、利利用用阳阳光光资资源源，是是最最为为洁洁净净的自然能源，不产生新的污染。的自然能源，不产生新的污染。第第56页/共共63页光催化氧化反应机理光催化氧化反应机理光催化氧化反应机理光催化氧化反应机理(1)OH(1)OH游离基的产生游离基的产生 目目前前光光催催化化处处理理水水中中有有机机污污染染物物的的催催化化剂剂多多数数是是一一些些过渡金属氧化物和硫化物过渡金属氧化物和硫化物，这类物质都具有半导体特性。，这类物质都具有半导体特性。能能量量高高于于带带隙隙能能的的光光辐辐射射照照射射半半导导体体时时，就就可可使使处处于于价价带带上上的的电电子子激激发发到到导导带带上上，从从而而造造成成价价带带上

36、上产产生生空空穴穴(h(h+)，即即在半导体表面产生在半导体表面产生具有高度活性的空穴具有高度活性的空穴(h(h+)和电子和电子(e(e-)。半半导导体体表表面面的的空空穴穴和和电电子子组组成成了了一一个个具具有有强强氧氧化化还还原原特特性性的的氧氧化化还还原原体体系系，吸吸附附在在半半导导体体表表面面的的H H2 2O O和和溶溶解解氧氧O O2 2则则与与空穴和电子发生作用，产生空穴和电子发生作用，产生高度活性的氢氧游离基高度活性的氢氧游离基OHOH。第第57页/共共63页(2)OH(2)OH作为强氧化剂，与有机物反应并使之氧化作为强氧化剂，与有机物反应并使之氧化R RCHCH2 2CHC

37、H3 3+2OH +2OH R RCHCH2 2CHCH2 2OH+HOH+H2 2O OR RCHCH2 2CHCH2 2OH OH R RCHCH2 2CHO+HCHO+H2 2R RCHCH2 2CHO+HCHO+H2 2O O R RCHCH2 2COOH+HCOOH+H2 2R RCHCH2 2COOH COOH R RCHCH3 3+CO+CO2 2 半半导导体体表表面面产产生生的的大大量量氢氢氧氧游游离离基基OHOH作作为为强强氧氧化化剂剂，与与有有机机物物反反应应并并使使之之氧氧化化，实实现现了了光光能能与与化化学学能能之之间间的的转转化化，起到了光解水中有机污染物的作用。起到

38、了光解水中有机污染物的作用。HashimotHashimot等经研究把脂肪烃的光解反应归纳为如下步骤等经研究把脂肪烃的光解反应归纳为如下步骤:每生成一个每生成一个COCO2 2，脂肪烃即减少一个碳链，直至转化完全。，脂肪烃即减少一个碳链，直至转化完全。第第58页/共共63页半导体光催化剂半导体光催化剂半导体光催化剂半导体光催化剂 目目前前常常用用的的半半导导体体催催化化剂剂大大多多是是过过渡渡金金属属的的氧氧化化物物或或硫硫化化物物：TiOTiO2 2、WOWO3 3、ZnOZnO、SnOSnO2 2、CdOCdO、FeFe2 2O O3 3、CdSeCdSe、CdSCdS、SiCSiC、Zn

39、SZnS等。等。由由于于TiOTiO2 2具具有有较较深深的的价价带带能能级级，较较宽宽带带隙隙(3.2eV)(3.2eV)，光光催催化化活活性性最最好好，能能使使反反应应在在光光照照射射的的TiOTiO2 2微微粒粒表表面面实实现现和和加加速速，并并且且化化学学性性能能和和光光化化学学性性能能十十分分稳稳定定，耐耐强强酸酸强强碱碱，耐耐光光腐腐蚀蚀，无毒，无毒，因而常选择因而常选择TiOTiO2 2 作为光催化剂。作为光催化剂。第第59页/共共63页l TiO TiO2 2 改性改性 阻止载流子的复合：在半导体中掺杂金属离子阻止载流子的复合：在半导体中掺杂金属离子 光敏化处理光敏化处理 将光

40、活性物质（叶绿酸、曙红、玫瑰红等染料）吸附于将光活性物质（叶绿酸、曙红、玫瑰红等染料）吸附于半导体表面，扩大半导体激发波长范围，充分利用太阳光能半导体表面，扩大半导体激发波长范围，充分利用太阳光能量或长波长光能量或长波长光能。构造复合半导体构造复合半导体 第第60页/共共63页光催化反应器 l l 固固定定床床型型反反应应器器无无液液固固分分离离过过程程，提提高高了了催催化化剂剂与污水的接触面积，充分利用了光能，但价格较昂贵与污水的接触面积，充分利用了光能，但价格较昂贵 l l 间间歇歇式式反反应应器器结结构构简简单单，能能处处理理废废水水。但但水水和和催催化剂的分离回收过程较麻烦化剂的分离回

41、收过程较麻烦 l l 光电化学催化反应器光电化学催化反应器 第第61页/共共63页v制备高效催化剂，提高光催化剂的量子转化效率；制备高效催化剂，提高光催化剂的量子转化效率；v扩大光催化剂的吸收波长范围，尤其是开发可见光光扩大光催化剂的吸收波长范围，尤其是开发可见光光催化剂，以便充分利用太阳光。催化剂，以便充分利用太阳光。v寻找合适的载体和固定化方法，大型光催化氧化反应寻找合适的载体和固定化方法，大型光催化氧化反应器的设计。器的设计。v反应机理研究中尚缺乏中间产物及活性物种的鉴定，反应机理研究中尚缺乏中间产物及活性物种的鉴定，机理研究仍处于设想与推测阶段。机理研究仍处于设想与推测阶段。光催化展光催化展望望第第62页/共共63页第五章第五章 环境催化环境催化感感谢您的您的观看。看。第第63页/共共63页