CN101780408A - 分解挥发性有机物的催化剂及方法 - Google Patents

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周更生
杨宪昌
黄俊超
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Abstract

本发明提供一种分解挥发性有机物的催化剂，包括：一中孔洞材料；以及一银金属，担载于该中孔洞材料。本发明另提供一种分解挥发性有机物的方法。

Description

分解挥发性有机物的催化剂及方法
技术领域
本发明是涉及一种催化剂，特别是涉及一种分解挥发性有机物的催化剂及方法。
背景技术
空气污染严重危害人体健康以及环境。为减少污染物危害，欧盟设定2020年的减量目标：例如SO2、NOx、VOCs、氨、PM2.5分别应较2000年减少82％、60％、51％、27％、59％。征收空污费是台湾的污染物减量策略之一。基于VOCs的危害性，环保署自2006年开征VOCs空污费，且计划在2010年开始提高费率，估计将自原本每公斤12元提高到25～30元。
根据2003年统计资料，台湾每年排放到大气中的挥发性有机物质(VolatileOrganic Compounds，VOCs)超过864,000公吨。研究指出，以焚化法处理低浓度大风量VOCs的难度、所消耗能源及衍生排放的CO2均极高。因此，目前已有许多节能设计被开发出来，例如，半导体业者多数以疏水性沸石转轮吸附浓缩VOCs，之后将小风量高浓度VOCs进行直接高温焚化处理或蓄热式焚化处理。然而，即使选择蓄热式焚化仍需使用燃料。根据TSIA统计资料，目前台湾前十大半导体业者的瓦斯使用量约26,530,000m3/年，费用约3.9亿元/年(以14.65元/m3计算)，二氧化碳排放量达到55,700吨/年。在节能及暖化议题日益高张之际，业者对于低能源成本、低碳排放的废气处理技术的需求随之日益迫切。
中国台湾专利I255324揭露一种有机废气处理系统及方法，利用浓缩转轮吸附以脱附出浓缩的有机废气，并透过等离子体火炬直接高温热解并迅速氧化浓缩废气。此外，更利用等离子体火炬所产生的热能预热欲进气处理的浓缩废气的温度并提供浓缩转轮脱附再生的热源。
中国台湾专利M320434揭露一种高效能浓缩器搭配高级氧化技术处理有机废气的净化装置，其设置一高级氧化处理单元于废气浓缩器脱附处理部的下游端，以氧化处理废气浓缩器所浓缩的有机物质。
然而，无论利用等离子体或高级氧化仍需使用能源，其降低运作成本的效果有限，无法真正解决问题。
催化剂焚化明确的节约能源特性显示其为具潜力的VOCs处理技术。用于完全氧化VOCs的催化剂大致可分为两类：铂或钯等贵重金属及铬、钴、铜、镍和锰等过渡金属氧化物。许多专利和文献指出低温催化氧化VOCs极具潜力。
美国专利第4,304,761揭露甲醇废气通过银催化剂的氧化方法。银在相对较低的反应温度使甲醇高比例转化为二氧化碳。然而，铂和钯则产生大量的醛类副产物。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能有效地降低能源消耗和二氧化碳排放量的分解挥发性有机物的催化剂，及使用该催化剂分解挥发性有机物的方法
本发明的一实施方式，提供一种分解挥发性有机物的催化剂，包括：一中孔洞材料；以及一银金属，担载于该中孔洞材料。
本发明的一实施方式，本发明催化剂还可包括一过渡金属氧化物，担载于该中孔洞材料。
本发明的一实施方式，提供一种分解挥发性有机物的方法，包括：提供一含挥发性有机物的气体；以及使该含挥发性有机物的气体与上述的催化剂接触，使该含挥发性有机物的气体分解而氧化为二氧化碳与水。
银金属表面易吸附氧而具有氧化特质，而过渡金属氧化物也具有吸附氧及进一步提供氧给银而促进VOCs的完全氧化的能力。本发明乃基于此一特性，设计制作出一以银金属及过渡金属氧化物担载于中孔洞的催化剂材料，可将VOCs分解并氧化为二氧化碳及水的催化剂。值得注意的是，在此催化剂存在下的氧化反应可于低温条件下进行，有效解决了传统高温焚化的耗能及衍生的二氧化碳排放的问题。
为让本发明的上述目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，作详细说明如下：
附图说明
图1为本发明的实施例1制得的银/SBA-15的XRD图谱；
图2为本发明的实施例4中利用银/氧化铁/SBA-15催化剂的丙酮气体去除效率；
图3为本发明的实施例6中利用银/氧化铈/SBA-15催化剂的异丙醇气体去除效率。
具体实施方式
本发明的一实施方式，提供一种分解挥发性有机物的催化剂，包括一中孔洞材料，以及一银金属，担载于中孔洞材料。
本发明的一实施方式，本发明催化剂还包括一过渡金属氧化物，担载于中孔洞材料。
上述中孔洞材料可为氧化硅、氧化铝或硅铝氧化物，例如SBA-15。中孔洞材料孔径大体介于2～50nm，比表面积介于600～1,000m2/g。银金属或/和过渡金属氧化物纳米粒子被担载在中孔洞材料的表面和孔道。上述过渡金属氧化物可包括氧化铬、氧化钴、氧化铈、氧化镍、氧化铁、氧化镁、氧化锰或其组合。
银金属的平均粒径大体介于2～50nm。银金属于催化剂中的重量百分比大体介于1～30wt％。过渡金属氧化物的平均粒径大体介于2～50nm。过渡金属氧化物于催化剂中的重量百分比大体介于1～30wt％。
本发明催化剂可将上述中孔洞材料通过含浸、离子交换或沉积-沉淀等方法将银金属或/和过渡金属氧化物纳米粒子担载于中孔洞材料而形成。期间(或者使用前)对该催化剂进行一热处理，即经过一温度介于100～800℃历时数小时的热处理程序。
本发明催化剂可进一步担载于一蜂巢状载体，该蜂巢状载体的材料可以是氧化铝、氧化硅、硅铝氧化物、金属或金属氧化物。
本发明的一实施方式，提供一种分解挥发性有机物的方法，包括下列步骤。首先，提供一含挥发性有机物的气体。之后，使含挥发性有机物的气体与上述的催化剂接触，使含挥发性有机物的气体分解而氧化为二氧化碳与水。
上述含挥发性有机物的气体可为引擎排放气体、有机溶剂挥发气体或受污染空气，而气体中的挥发性有机物可包括烷类、烯类、芳香族类、酮类、醚类、醇类、有机酸类、胺类或其混合物，例如常见于半导体及光电产业排气的异丙醇(IPA)、丙酮(acetone)、丙二醇甲醚(Propylene glycol monomethyl ether，PGME)或丙二醇单甲基醚醋酸酯(Propylene glycol monomethyl ether acetate，PGMEA)等。
上述含挥发性有机物的气体与催化剂接触的温度可低于300℃，例如100～300℃。另含挥发性有机物的气体与催化剂粒子接触的空间速度大体介于3,000～200,000hr-1。此外，含挥发性有机物的气体与上述担载催化剂的蜂巢状载体接触的空间速度大体介于1,000～20,000hr-1。
银表面很容易吸附氧而形成氧化催化剂。根据此特性，本发明提供了一种催化剂，包括一中孔洞材料，担载银或/和过渡金属氧化物，可将挥发性有机物完全氧化成二氧化碳和水。具体来说，在此催化剂作用下，VOCs氧化可在低温下进行，能有效地降低能源消耗和二氧化碳排放量。
【实施例1】本发明催化剂的制备(1)
利用共沉淀原理，在制备SBA-15的过程中，首先加入表面活性剂形成中孔洞模板，接着，加入金属前驱物，之后，加入硅源，以形成担载银的中孔洞氧化硅。
详细制备方法说明如下：加入表面活性剂P123与浓硝酸于去离子水中搅拌至完全溶解，其重量百分比为1∶3∶30。接着，加入重量为表面活性剂2倍的硝酸银搅拌至完全溶解，之后，加入重量为P123的2.1倍的TEOS搅拌20小时，再于95℃搅拌48小时后，进行3次过滤、水洗程序，经干燥、500℃热处理5小时后，形成担载10wt％银的中孔洞氧化硅。该银/SBA-15催化剂的XRD图谱如图1。结果显示，为银/SBA-15。
【实施例2】本发明分解含挥发性有机物气体的效果(1)
首先，提供一1,000ppm的丙酮气体。之后，于150～300℃反应温度下，使丙酮气体与0.1克、【实施例1】制得的10wt％的银/SBA-15催化剂接触，以分解丙酮气体为二氧化碳与水。丙酮气体与银/SBA-15催化剂接触的空间速度为10,000hr-1。
本实施例分解丙酮气体的结果显示，于250℃即可达到95％的去除效率。
【实施例3】本发明催化剂的制备(2)
利用沉积-沉淀法担载银和氧化铁于SBA-15。
详细制备方法说明如下：加入表面活性剂P123于2M盐酸中搅拌至完全溶解，其重量百分比为1∶40。接着，之后，加入重量为P123的2.1倍的TEOS搅拌24小时，再于90℃搅拌24小时后，进行3次过滤、水洗程序，经干燥、500℃热处理5小时后，形成中孔洞氧化硅SBA-15。
加入硝酸银与硝酸铁与尿素于去离子水中搅拌至完全溶解，其重量百分比为1∶7∶2∶200。之后，加入重量为硝酸银的1.5倍的SBA-15，并均匀搅拌。滴入硝酸调整pH值介于2～3之间。接着，将温度维持在90℃，继续搅拌16小时后，进行3次过滤、水洗程序，经干燥、500℃热处理5小时后，形成银/氧化铁/SBA-15。
【实施例4】本发明分解含挥发性有机物气体的效果(2)
首先，提供一500ppm的丙酮气体。之后，于150～300℃反应温度下，使丙酮气体与0.1克的【实施例3】制得的银/氧化铁/SBA-15催化剂接触，以分解丙酮气体为二氧化碳与水。丙酮气体与银/氧化铁/SBA-15催化剂接触的空间速度为176,000hr-1。
本实施例分解丙酮气体的结果显示，于250℃即可达到95％的去除效率，如图2所示。
【实施例5】本发明催化剂的制备(3)
利用沉积-沉淀法担载银和氧化铈于SBA-15。
详细制备方法说明如下：加入硝酸银与硝酸铈与尿素于去离子水中搅拌至完全溶解，其重量百分比为1∶1∶2∶200。之后，加入重量为硝酸银的1.5倍的SBA-15，并均匀搅拌。滴入硝酸调整pH值介于2～3之间。接着，将温度维持在90℃，继续搅拌16小时后，进行3次过滤、水洗程序，经干燥、500℃热处理5小时后，形成银/氧化铈/SBA-15。
【实施例6】本发明分解含挥发性有机物气体的效果(3)
首先，提供一100ppm的异丙醇气体。之后，于150～300℃反应温度下，使异丙醇气体与0.1克的【实施例5】制得的银/氧化铈/SBA-15催化剂接触，以分解丙酮气体为二氧化碳与水。异丙醇气体与银/氧化铈/SBA-15催化剂接触的空间速度为176,000hr-1。
本实施例分解异丙醇气体的结果显示，于200℃即可达到95％的去除效率，如图3所示。
【实施例7】本发明催化剂的制备(4)
利用沉积-沉淀法担载银和氧化铈、氧化锰于SBA-15。
详细制备方法说明如下：加入硝酸银与硝酸铈与硝酸锰与尿素于去离子水中搅拌至完全溶解，其重量百分比为1∶1∶2∶4∶200。之后，加入重量为硝酸银的1.5倍的SBA-15，并均匀搅拌。滴入硝酸调整pH值介于2～3之间。接着，将温度维持在90℃，继续搅拌16小时后，进行3次过滤、水洗程序，经干燥、500℃热处理5小时后，形成银/氧化铈/SBA-15。
将制得的催化剂进一步担载于monolithic陶瓷(直径50mm，高度50mm，100cell/in2)。上述催化剂的重量为monolithic陶瓷的10％。
【实施例8】本发明分解含挥发性有机物气体的效果(4)
首先，提供一140ppm的异丙醇气体。之后，于100～300℃反应温度下，使异丙醇气体与【实施例7】制备的催化剂接触，以分解异丙醇气体为二氧化碳与水。异丙醇气体与【实施例7】制备的催化剂接触的空间速度为12,000hr-1。
本实施例分解异丙醇气体的结果显示，50％、95％的去除效率可于150℃、200℃达到。
此外，分解120ppm丙酮气体的结果显示，50％、95％的去除效率可于145℃、200℃达到。分解10ppm丙二醇甲醚气体的结果显示，50％的去除效率可于80℃达到。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (21)

1.一种分解挥发性有机物的催化剂，包括：
一中孔洞材料；以及
一银金属，担载于该中孔洞材料。
2.如权利要求1所述的分解挥发性有机物的催化剂，其中该中孔洞材料为氧化硅、氧化铝或硅铝氧化物。
3.如权利要求1所述的分解挥发性有机物的催化剂，其中该中孔洞材料的孔径介于2～50nm。
4.如权利要求1所述的分解挥发性有机物的催化剂，其中该银金属的粒径介于2～50nm。
5.如权利要求1所述的分解挥发性有机物的催化剂，其中该银金属的重量百分比介于该催化剂的1～30wt％。
6.如权利要求1所述的分解挥发性有机物的催化剂，还包括一过渡金属氧化物，担载于该中孔洞材料。
7.如权利要求6所述的分解挥发性有机物的催化剂，其中该过渡金属氧化物为氧化铬、氧化钴、氧化铈、氧化镍、氧化铁、氧化镁、氧化锰或其组合。
8.如权利要求6所述的分解挥发性有机物的催化剂，其中该过渡金属氧化物的平均粒径介于2～50nm。
9.如权利要求6所述的分解挥发性有机物的催化剂，其中该过渡金属氧化物于催化剂中的重量百分比介于1～30wt％。
10.一种制备分解挥发性有机物的催化剂的方法，包括：将银金属或/和过渡金属氧化物纳米粒子通过含浸、离子交换或沉积-沉淀的方法担载于中孔洞材料，形成所需的催化剂。
11.如权利要求10所述的制备方法，其中还包括将该催化剂进一步担载于一蜂巢状载体。
12.如权利要求10所述的制备方法，其中对所得到的催化剂进行一热处理。
13.如权利要求12所述的制备方法，其中该热处理的温度介于100～800℃。
14.一种分解挥发性有机物的方法，包括：
提供一含挥发性有机物的气体；以及
使该含挥发性有机物的气体与如权利要求1-9之一的权利要求所述的催化剂接触，使该含挥发性有机物的气体分解而氧化为二氧化碳与水。
15.如权利要求14所述的分解挥发性有机物的方法，其中该含挥发性有机物的气体为引擎排放气体、有机溶剂挥发气体或受污染空气。
16.如权利要求14所述的分解挥发性有机物的方法，其中该挥发性有机物为烷类、烯类、芳香族类、酮类、醚类、醇类、有机酸类、胺类或其混合物。
17.如权利要求14所述的分解挥发性有机物的方法，其中该挥发性有机物为异丙醇、丙酮、丙二醇甲醚或丙二醇单甲基醚醋酸酯。
18.如权利要求14所述的分解挥发性有机物的方法，其中该含挥发性有机物的气体与该催化剂接触的温度低于300℃。
19.如权利要求14所述的分解挥发性有机物的方法，其中该含挥发性有机物的气体与该催化剂接触的温度介于100～300℃。
20.如权利要求14所述的分解挥发性有机物的方法，其中该含挥发性有机物的气体与该催化剂接触的空间速度介于3,000～200,000hr-1。
21.如权利要求14所述的分解挥发性有机物的方法，其中该含挥发性有机物的气体与权利要求11所述方法制备催化剂接触的空间速度介于1,000～20,000hr-1。
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