控制NOx排放就是

作者: 教育在线  发布:2020-04-21

新闻中心讯 近年来,雾霾已经成为大家茶余饭后最主要的谈资。最近一个月,北方地区的雾霾污染更是愈演愈烈,京津冀及周边地区多达44个城市,先后实施了空气重污染应急措施,多个城市启动空气重污染红色预警。而常态化雾霾天气的“元凶”,则是以PM2.5为代表的颗粒物污染,颗粒物数值越大,说明污染物越多,污染就越严重。

近日,复旦大学环境科学与工程系唐幸福教授环境催化课题组研发出了同时抗碱金属和抗SO2的新型脱硝催化技术。国内外研究数据表明,与一次源相比,二次生成的组分在PM2.5中占有一半以上的比重,并且在灰霾发生时比例更高。这项技术可以有效地控制PM2.5前体物NOx的排放,对减少大气中NOx转化形成的二次颗粒污染物有着重要的积极作用。

2015年12月,相关研究钨基抗碱金属抗硫的新型脱硝催化剂以题“Alkali- and Sulfur-Resistant Tungsten-Based Catalysts for NOx Emissions Control”发表于Environmental Science & Technology 期刊(Environ. Sci. Technol. 2015, 49, 14460–14465)上,该论文第一作者为复旦大学环境科学与工程系2014级博士生黄志伟。

早在17年前,因申奥治理大气污染而成立的北京“蓝天工程”课题组就已预见到,PM2.5将是未来大气污染控制面临的难点问题。其中,SO2和NOx都是形成大气二次颗粒物的重要前体物,为了解决大气污染问题,中国从上世纪90年代起开始大力发展脱硫技术,虽然SO2的排放量有了明显的降低,但灰霾现象并没有明显改善。经过进一步的研究,科学家们发现要解决雾霾问题,必须要脱硫脱硝双管齐下,协同控制,从源头上控制污染物的排放。因此,在“十二五”期间,国家将NOx列入了节能减排的总量控制范围。

那么如何才能控制NOx的排放?唐幸福教授告诉记者,通俗地说,控制NOx排放就是“脱硝”,就是将有害的NOx转化为无毒无害的氮气的过程。研究证明,选择性催化还原NOx的烟气脱硝技术(SCR)以脱硝效率高而得到了最广泛的应用,成为“脱硝技术”的主流的技术。它利用氨对NOx选择性还原,在催化剂的作用下将NOx还原为对大气没有污染的氮气和水,催化剂的开发是其核心。

据唐幸福教授介绍,催化剂表面有活性作用的位置称为“活性位”,在理想环境下氨和NOx在活性位上发生反应,生成氮气和水,但实际烟气环境要复杂很多。烟气环境中的碱金属和SO2是SCR催化剂两种最主要的毒物,在固定源和移动源中均大量存在。一旦催化剂的活性位被这些毒物占据,SCR反应就不会再继续,催化剂就会表现出“中毒”而失活,丧失作用。当脱硝效率达不到排放标准时,就必须更换或再生催化剂。

从新催化剂开始使用到被更换这段时间称为“催化剂寿命”。传统催化剂即使在毒物浓度低的情况下,也容易失活,寿命缩短,需要经常更换或再生。在现有的商品化催化剂中,还没有既能够有效地抗碱金属又能够抗SO2中毒的产品。

唐幸福课题组于2015年初建立了本征的碱金属离子交换—配位型中毒机理,经过不懈的研究,终于突破了传统脱硝催化剂难以应用于高碱或碱土金属燃煤或生物质燃料烟气脱硝技术的瓶颈,研发出了同时抗碱金属和抗SO2的新型脱硝催化剂。区别于传统催化剂,课题组在新型脱硝催化剂上同时设计了催化活性位和碱金属捕获位: 碱金属捕获位能捕获碱金属颗粒,即使催化剂毒物碱金属预先占用了活性位,由于新型催化剂的特性,碱金属也会自发迁移到捕获位上,并重新释放催化活性位。此外,碱金属与捕获位的结合十分稳定,脱硝反应则仍将在活性位上进行。唐幸福课题组在对催化剂结构进行重新设计后,在碱金属和SO2浓度非常高的场所中,新型催化剂比传统催化剂寿命提高10倍以上;特别是在传统催化剂无法发挥作用的燃煤工业锅炉和特种锅炉的NOx排放控制,也依然可以保持较高的活性。据介绍,该技术可广泛应用于火电厂、重工业、汽车等源头的NOx排放控制。

美国化学会周刊化学工程新闻Chemical & Engineering News(C&EN)和环保汽车协会Green Car Congress(GCC)第一时间转载报道了这项技术。C&EN报道中引用美国康涅狄格大学的Gao教授的评价,认为这样的设计为彻底解决催化剂稳定性的问题给出了一种可行的选择。GCC报道中对比了美国田纳西大学Knoxville教授和国立橡树岭研究所的研究结果,对复旦大学这项新的技术给予了高度评价。

据悉,正是新型脱硝催化剂不可比拟的优势,这项技术甫一问世便与有关公司开展了合作,目前已经建立规模化生产中心,产品已在两个工业领域中投放使用,为改善区域空气质量,减少因PM2.5而产生的灰霾天气发挥积极重要的作用。

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