挥发性有机物催化氧化处理技术

挥发性有机化合物（VOCs）是生成细颗粒物PM2.5 和臭氧的前驱体物质，又可与氮氧化物反应导致光化学烟雾污染，其自身的毒性还会严重威胁人类健康和破坏生态环境，因此高效降解VOCs 十分必要。VOCs 治理技术中，催化氧化法具备运行成本低、操作简单、二次污染可能性低、产物危害小等优点，有望成为未来市场去除VOCs 的主流技术，而催化剂的研发是该技术的核心。本书依次从制备条件、合成方法以及掺杂方面介绍了对催化剂进行改性从而制得高效和稳定的催化氧化VOCs 催化剂。 
对于催化氧化VOCs 催化剂，其微观结构、化学价态、氧化性能以及表面酸性是决定催化性能和使用寿命的关键性因素，但对其催化作用机制尚没有统一定论。因此，明确催化剂催化氧化VOCs 反应机制，可针对性地改善催化剂催化降解VOCs 性能，从宏观上为调控催化氧化VOCs 提供坚实的理论基础和指导。 
本书以催化剂催化氧化VOCs 技术为主线，全面总结了笔者所承担的国家自然科学基金（21872096；U1904174）、河南省自然科学青年基金项目（202300410034）、河南省重大科技攻关项目（202102310341；212102310518；222102320053；202102310280；212102310068；212102310501；202102310287）、河南省平顶山重大科技攻关项目专项（2021ZD03）、河南省高等学校重点科研项目（22A610007；20A610003）、河南城建学院骨干教师项目（YCJQNGGJS201903）、河南城建学院技术带头人项目（YCJXSJSDTR202204）和河南城建学院博士启动基金（990/Q2017011）的成果，并结合多年的教学经验及国内外相关领域的发展编著而成。 
本书的编著得到了河南城建学院、沈阳化工大学、河南中材环保有限公司、河南神马氢化学有限责任公司的大力支持与帮助，是集体劳动的结晶。在课题的研究过程中，笔者和合作者共申请发明专利10 项，在国内外知名期刊上发表高水平论文25 篇。在此对所有参与了课题研究与本书撰写工作的人员表示感谢。 
本书由宋忠贤、张学军、毛艳丽、刘威等编著，具体编著分工具体如下：第1 章由宋忠贤、张学军、刘泽鹏、李瀚文编著；第2 章由宋忠贤、刘威、朱新锋、毛艳丽、康海彦、闫晓乐、朱雯雯、翟大林、宋以卓、张瀚月、张焕、李珂、李蕊编著；第3 章由宋忠贤、毛艳丽、谷得明、延旭、刘泽鹏、梅予圻、师梦瑶、王静雨编著；第4 章由张学军、刘威、邓炜、侯广超、申泰炫、李桂亭、宋忠贤、吴英含、张卓夫、赵敏、赵恒、马子昂编著；第5 章由张学军、刘威、宋忠贤、常伟华、郭一飞、朱新锋、延旭、刘盼、扶咏梅、顾效纲、庞丹丹编著；第6 章由张学军、毛艳丽、刘威、张金辉、宋忠贤、张霞、魏远航、莫杜娟、赵井冈编著；第7 章由刘威、毛艳丽、张金辉、宋忠贤、扶咏梅、刘盼、顾效纲、蒋利宾、侯广超、申泰炫、闫晓乐编著；第8 章由张学军、宋忠贤、刘威、刘泽鹏、张金辉、朱新锋、康海彦、李洁冰、张霞、谷得明、常伟华编著；第9 章由张学军、毛艳丽、朱新锋、刘威、宋忠贤、张金辉编著。全书后由张学军、宋忠贤和毛艳丽统稿，朱新锋、张金辉、刘泽鹏、李海洋、宋忠贤、刘威等校核。在此，笔者向所有对本书出版给予关心和支持的前辈、领导、同事和朋友表示衷心的感谢。 
限于编著者水平和编著时间，书中难免存在疏漏和不妥之处，敬请读者批评指正。 

编著者 
2022年3月

本书共9 章，在概述了大气污染及控制现状、VOCs 及其治理技术的基础上，对影响VOCs 催化氧化技术效果的催化剂的性能研究、实验测试与表征进行了简要介绍，随后详细介绍了作者对各类金属氧化物催化剂的研究，包括MnO2 基催化剂催化氧化甲苯性能、CeO2 基催化剂催化氧化VOCs性能、钴基催化剂催化氧化甲苯性能、钾锰矿催化剂催化氧化甲苯性能、Pt 基催化剂催化氧化氯苯性能；后对全书做了总结并展望了催化剂的研究趋势。本书具有较强的技术应用性和针对性，可供从事大气污染物控制、催化剂研制的科研人员、工程技术人员和管理人员参考，也可供高等学校环境科学与工程、化学工程及相关专业师生参阅。

本书共9 章，在概述了大气污染及控制现状、VOCs 及其治理技术的基础上，对影响VOCs 催化氧化技术效果的催化剂的性能研究、实验测试与表征进行了简要介绍，随后详细介绍了作者对各类金属氧化物催化剂的研究，包括MnO2 基催化剂催化氧化甲苯性能、CeO2 基催化剂催化氧化VOCs性能、钴基催化剂催化氧化甲苯性能、钾锰矿催化剂催化氧化甲苯性能、Pt 基催化剂催化氧化氯苯性能；最后对全书做了总结并展望了催化剂的研究趋势。本书具有较强的技术应用性和针对性，可供从事大气污染物控制、催化剂研制的科研人员、工程技术人员和管理人员参考，也可供高等学校环境科学与工程、化学工程及相关专业师生参阅。

宋忠贤，河南城建学院环境工程系主任、讲师，研究方向为环境催化，即NOx和VOCs去除技术，主要对催化氧化VOCs做了系统的研究，致力于催化剂的微观结构的调控，设计与构筑催化剂的多活性位点，研发多功能催化剂并用于开展协同去除甲苯和氯苯性能研究工作，参与了自然科学基金面上项目（双壳层Pt纳米催化剂可控构筑及其催化氧化去除甲苯和氯苯性能，基金编号：21872096），主持河南省高校科研项目（Pt基低温催化氧化甲苯和氯苯性能及其反应机理研究，基金编号：20A610003），主持河南省社会科学界联合会调研项目：平顶山市典型有机污染物控制技术研究，项目编号：SKL-2019-3515和河南省自然科学青年基金项目（202300410034）及河南省重点研发与推广专项（科技攻关）项目（202102310341）等，发表高水平SCI论文15篇。

第1章 概述    001 
1.1 大气污染及控制现状    001 
1.2 挥发性有机物（VOCs）    002 
1.2.1 挥发性有机物（VOCs）的概念    002 
1.2.2 挥发性有机物（VOCs）的来源    002 
1.2.3 挥发性有机物（VOCs）的危害    003 
1.3 挥发性有机物（VOCs）治理技术    003 
1.3.1 回收技术    004 
1.3.2 销毁技术    006 
1.3.3 协同控制技术    009 
1.4 挥发性有机物（VOCs）排放标准及相关政策    010 
参考文献    011 

第2章 催化氧化VOCs 催化剂性能研究    013 
2.1 贵金属催化剂催化氧化VOCs 研究    013 
2.2 金属氧化物催化剂催化氧化VOCs 研究    014 
2.3 分子筛催化剂催化氧化VOCs 研究    018 
2.4 钙钛矿催化剂催化氧化VOCs 研究    019 
参考文献    020 

第3章 催化氧化VOCs 催化剂实验测试与表征    024 
3.1 催化剂制备    024 
3.2 测试条件    025 
3.3 表征测试    026 
3.3.1 X 射线衍射（XRD）    026 
3.3.2 可见拉曼光谱分析（Raman）    027 
3.3.3 扫描电子显微镜（SEM）    028 
3.3.4 比表面积测定（BET）    028 
3.3.5 X 光电子能谱（XPS）    029 
3.3.6 氢气程序升温还原（H2-TPR）    029 
3.3.7 氧气程序升温脱附（O2-TPD）    030 

第4章 MnO2 基催化剂催化氧化甲苯性能研究    031 
4.1 MnOx 催化剂微观结构和表面物种的调控    031 
4.1.1 MnOx 催化剂催化氧化甲苯研究简介    031 
4.1.2 催化剂的微观结构、表面物种及化学价态对催化剂性能的影响    031 
4.1.3 小结    041 
4.2 水热温度对MnOx 催化剂微观结构和表面物种的调控    041 
4.2.1 水热温度对MnOx 催化剂影响研究简介    041 
4.2.2 催化剂的微观结构、氧化性能及其理化性质对其催化性能的影响    042 
4.2.3 小结    048 
4.3 模板剂对MnOx 催化剂微观结构的调控    049 
4.3.1 模板法制备MnOx 催化剂研究现状    049 
4.3.2 催化剂的微观结构、表面物种及化学价态对催化剂性能的影响    049 
4.3.3 小结    054 
参考文献    054 

第5章 CeO2 基催化剂催化氧化VOCs 性能    057 
5.1 过渡金属改性CeO2 的制备及其催化氧化甲苯性能研究    057 
5.1.1 过渡金属改性CeO2 催化剂研究现状    057 
5.1.2 催化剂的微观结构、表面物种及化学价态对催化剂性能的影响    057 
5.1.3 小结    068 
5.2 合成路径对Ce-Mn-Ox 催化剂催化氧化甲苯性能影响研究    068 
5.2.1 合成路径改性Ce-Mn-Ox 催化剂研究现状    068 
5.2.2 催化剂的微观结构、表面物种及化学价态对催化剂性能的影响    069 
5.2.3 小结    081 
5.3 水热条件对Ce-Mn-Ox 催化剂催化氧化甲苯性能影响研究    082 
5.3.1 水热条件改性Ce-Mn-Ox 催化剂研究现状    082 
5.3.2 催化剂的微观结构、氧化性能及其理化性质对其催化性能的影响    082 
5.3.3 小结    095 
5.4 硅钨酸改性CeO2 催化剂催化氧化氯苯的研究    095 
5.4.1 硅钨酸改性CeO2 催化剂研究现状    095 
5.4.2 催化剂的微观结构、氧化性能及其理化性质对其催化性能的影响    096 
5.4.3 小结    115 
5.5 不同铈源对CeO2-MnOx 催化剂氧化还原能力和氧空位的影响及其催化氧化甲苯性能研究    116 
5.5.1 不同铈源改性Ce-Mn-Ox 催化剂研究现状    116 
5.5.2 催化剂的微观结构、氧化性能及其理化性质对其催化性能的影响    116 
5.5.3 小结    124 
参考文献    124 

第6章 钴基催化剂催化氧化甲苯性能    135 
6.1 不同金属氧化物改性钴基催化剂的制备及其催化燃烧甲苯性能研究    135 
6.1.1 不同金属氧化物改性钴基催化剂研究现状    135 
6.1.2 催化剂的微观结构、氧化性能及其理化性质对其催化性能的影响    136 
6.1.3 讨论与分析    145 
6.1.4 小结    147 
6.2 LaOx 含量及协同效应对LaOx-Co3O4 在甲苯高效纯化中的相互作用与影响    148 
6.2.1 La-Co-Ox 催化剂研究现状    148 
6.2.2 催化剂的微观结构、氧化性能及其理化性质对其催化性能的影响    148 
6.2.3 讨论    162 
6.2.4 小结    164 
6.3 合成方法对Co-La 催化剂去除甲苯的物化性能和氧化还原能力的影响    164 
6.3.1 合成方法改性La-Co-Ox 催化剂研究现状    164 
6.3.2 催化剂的微观结构、表面物种及化学价态对催化剂性能的影响    165 
6.3.3 小结    182 
参考文献    183 

第7章 钾锰矿催化剂催化氧化甲苯性能    189 
7.1 钾锰矿对甲苯催化氧化过程中MnOx 表面吸附氧和Mn 化学价态的作用    189 
7.1.1 MnOx 催化剂研究现状    189 
7.1.2 催化剂的微观结构、表面物种及化学价态对催化剂性能影响    189 
7.1.3 小结    200 
7.2 水热温度对MnOx 催化剂中锰化学价态和氧化还原能力的影响及其催化氧化甲苯性能的研究    201 
7.2.1 水热温度改性MnOx 催化剂研究现状    201 
7.2.2 催化剂的微观结构、表面物种及化学价态对催化剂性能的影响    201 
7.2.3 小结    211 
参考文献    211 

第8章 Pt 基催化剂催化氧化氯苯性能研究    213 
8.1 Pt 基催化剂研究现状    213 
8.2 催化剂的微观结构、氧化性能及其理化性质对其催化性能的影响    214 
8.2.1 X 射线衍射分析（XRD）    214 
8.2.2 低温N2物理吸脱附分析    214 
8.2.3 X 射线光电子能谱（XPS）    216 
8.2.4 氢气程序升温还原（H2-TPR）    220 
8.2.5 氧气程序升温脱附（O2-TPD）    221 
8.2.6 Raman 光谱分析    222 
8.2.7 催化活性分析    223 
8.2.8 催化氧化氯苯副产物分析    225 
8.2.9 氯苯催化氧化Insitu-DRIFT 分析    225 
8.3 小结    227 
参考文献    228 

第9章 结论与展望    230 
9.1 结论    230 
9.1.1 本书结论    230 
9.1.2 优势分析    233 
9.2 趋势分析    234

本书共9 章，在概述了大气污染及控制现状、VOCs 及其治理技术的基础上，对影响VOCs 催化氧化技术效果的催化剂的性能研究、实验测试与表征进行了简要介绍，随后详细介绍了作者对各类金属氧化物催化剂的研究，包括MnO2 基催化剂催化氧化甲苯性能、CeO2 基催化剂催化氧化VOCs性能、钴基催化剂催化氧化甲苯性能、钾锰矿催化剂催化氧化甲苯性能、Pt 基催化剂催化氧化氯苯性能；后对全书做了总结并展望了催化剂的研究趋势。本书具有较强的技术应用性和针对性，可供从事大气污染物控制、催化剂研制的科研人员、工程技术人员和管理人员参考，也可供高等学校环境科学与工程、化学工程及相关专业师生参阅。

宋忠贤，河南城建学院环境工程系主任、讲师，研究方向为环境催化，即NOx和VOCs去除技术，主要对催化氧化VOCs做了系统的研究，致力于催化剂的微观结构的调控，设计与构筑催化剂的多活性位点，研发多功能催化剂并用于开展协同去除甲苯和氯苯性能研究工作，参与了自然科学基金面上项目（双壳层Pt纳米催化剂可控构筑及其催化氧化去除甲苯和氯苯性能，基金编号：21872096），主持河南省高校科研项目（Pt基低温催化氧化甲苯和氯苯性能及其反应机理研究，基金编号：20A610003），主持河南省社会科学界联合会调研项目：平顶山市典型有机污染物控制技术研究，项目编号：SKL-2019-3515和河南省自然科学青年基金项目（202300410034）及河南省重点研发与推广专项（科技攻关）项目（202102310341）等，发表高水平SCI论文15篇。