CN109729711A - 低温、潮湿条件下的催化燃烧 - Google Patents

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Abstract

披露了用于在低温潮湿环境中实现气态物质的催化燃烧的方法。这些方法包括以下步骤：获得包含负载在可离子交换的碱金属钛酸盐基材上的一定量的贵金属的燃烧催化剂组合物，并且然后在含氧气体和水蒸汽存在下在低于200℃的催化温度下并且在高于0.5％的相对湿度下将该物质暴露于该燃烧催化剂组合物中。还披露了一种新型的干燥剂耦合催化燃烧方法和系统。

Description

低温、潮湿条件下的催化燃烧
技术领域
本发明涉及用于在低温和潮湿条件下实现气态物质的催化燃烧的方法。这些方法使用催化活性贵金属(任选地与过渡金属结合的)，这些贵金属已经被离子交换到可离子交换的碱金属钛酸盐基材上。本发明还涉及一种干燥剂耦合催化燃烧方法和系统。
背景技术
几个世纪以来，新催化剂或改进催化剂的开发已经成为实验主义者的区域，并且大多数现代催化剂的开发已经沿着经验方向发展。只有当催化剂被发现具有新的或改进的功能时，才能理解使用当时的工具为什么特定配制品很好地起作用而其他类似的配制品可能不起作用而进行的操作。不幸地，很难从这样的操作中得出预测，因为随着催化剂研究的新方法的发展，曾经在催化剂机制方面流行的理论现在认为已经过时了。虽然现代计算方法已经与有机金属材料研究结合以便为定制设计催化剂提供一些机会，但先验地设计催化剂的能力仍然远远不够。
教材“非均相催化原理与实践”.第二版(J.M.Thomas和W.J.Thomas编辑).Wiley-VCH出版社,2015年编辑在前言中表示“虽然想象人们可以很快(或曾经)获得一个全面的非均相催化理论是不可能的(在某种意义上我们具有电磁学、或重力或进化理论)，但需要做很多事情……以阐明主题的几个黑暗的理论和相关角落。”编辑接着陈述了，“迄今为止，催化领域的实践者和理论家们还没有能够设计出能够促进包含区域选择性、形状选择性和对映选择性的转化的范围的普遍适用的组装新型非均相催化剂的方法。无论技术、论点和理论可以如何巧妙、精炼或复杂，解释现有催化剂的行为都是不够的。必需能够获得新的催化剂，其例如可以进行选择性氧化和还原，并且可以充当生产重化学品的新(环境友好)方式……”
虽然可能不像以前那么神秘，但催化剂开发仍然是主要基于发现的过程。虽然现有技术提供的知识库可以帮助提供组合化学活动，但是之前所了解的知识并不能确保任何新研究的成功结果。因此，本领域技术人员通常理解，从选择基材到用于制备或调节催化剂使用的条件得到收益的催化剂配制品的任何变化通常被认为是新颖的，因为效果的一种或多种变化无法合理预测。
催化燃烧是一种化学过程，其中气相中的可燃物质在固体催化剂上反应以完全氧化目标分子。对于仅含有碳和氢的分子(烃)或含有碳、氢和氧的分子(如醇、醛和酮)，催化燃烧的产物仅为二氧化碳和水。催化燃烧经常但非排他地用于目标物质的浓度低于其点火下限(LEL)的应用中。当可燃气体低于其LEL时，则在暴露于点火源时混合物将不会点燃。在这样的稀释浓度下，使用催化剂使目标化合物反应、转化或燃烧更有效，因为催化剂可以在显著低于可以高达800℃的分子的自燃温度的温度下促进目标物质的完全氧化。通常希望开发能够在尽可能低的温度下促进催化燃烧的催化剂，以降低与操作催化燃烧系统相关的能量成本。目标物质的完全催化燃烧只能在摩尔化学计量过量的氧气(O2)中发生；当目标物质在空气中以痕量存在时容易满足的条件。即使在氧还原环境中，与待燃烧的碳原子的摩尔数相比，如果存在更多摩尔的O2，则可以实现目标物质的完全燃烧。
催化燃烧的主要应用涉及从空气中除去挥发性有机化合物(VOC)。VOC主要是在环境温度下具有高蒸气压的人为的有机化合物。这些化合物可以是醇，醛，乙酸酯，芳族化合物(如苯、甲苯和二甲苯)，酯，酮，烷烃，烯烃和由碳、氧、氢和卤素构成的其他化合物。为简化与低温催化燃烧相关的讨论，乙烯(C2H4)、一氧化碳(CO)和甲醛(CH2O)将被视为VOC，但形式上，这些物质中的一些被排除在这些物质的标准定义之外。这些化合物的排放源是多种多样的，并且可以通过植物，化石燃料、油漆和涂料的燃烧以及从建筑和消费品产生VOC。
VOC的催化燃烧典型地在高温下在催化剂床上进行，其中催化温度可由VOC与催化剂的反应性决定。催化剂床的操作温度典型地在200℃至450℃的范围内。燃烧产物可以再循环回到该过程中，或者更经常地，并且为了满足环境法规，用催化燃烧系统处理污染的空气流以在流被排放到大气之前去除VOC化合物。为了回收至少一些加热催化剂床花费的能量，大多数这样的系统在流被排出之前将进行某种形式的热交换。因此，包含处理过的空气的排气流比其反应温度更冷，但典型地保持高于环境温度。
催化燃烧的新兴应用领域涉及从空气中去除乙烯。由于其结构中存在双键，乙烯(ethylene)(也称为乙烯(ethene))是烯烃(不饱和烃)。乙烯是有效的植物激素，并且通常被认为负责指导植物的老化过程。乙烯是由植物自然产生的，以调节它们的生命周期，并且气体在脱落(叶子和果实的损失或落下)、花形成以及果实生长和成熟中起关键作用。只需要以按体积计单一百万分率测量的痕量水平乙烯来引起植物及其花和果实的代谢变化。通过将商品储存在低于室温(例如<30℃)下降低植物代谢是收获后处理果实和观赏植物和花的关键策略，并且可以减少不希望的乙烯产生。通过将未成熟果实暴露于非内源乙烯源，乙烯也可以有利地用于引起对乙烯敏感的农产品的成熟。在跃变型果实中，暴露于高浓度的乙烯引起快速成熟循环，从而允许持久的未成熟果实运输到市场并仅在销售之前人工成熟。
除了冷藏，改进和气调贮藏是用于控制果实代谢并且减少乙烯联合产生的其他管理技术。在两种情况下，改变农产品周围的气体的分子组成以改变其代谢。通过降低O2水平并且增加CO2水平，农产品可以保持在代谢停滞状态并且使其新鲜度保持更长的一段时间。气调贮藏需要不断监测并且维持目标大气组成；更适合于固定储存设施的需求。然而，干变气氛贮藏通常施用于包装应用，并且典型地使用聚合物膜来管理在运输和储存期间包装内H2O、O2和CO2的浓度。为了避免引发不希望的无氧代谢事件，应该在改变或受控气氛中维持一些O2，使得农产品可以进行正常呼吸。在大多数干变或受控气氛条件下，使用不小于1％-5％的O2摩尔分数(Zagory等人，Food Technology[食品科技]42(9)70-77)，并且因此在受控或干变气氛中氧气的摩尔分数应始终超过气体中存在的乙烯的摩尔分数。
虽然在低温下并且在改进的(或受控的)气氛中保持农产品可以减少乙烯代谢，但它不能消除气体的产生。因此，能够消除在运输和储存期间产生的任何乙烯的活性剂有益于防止乙烯积累到可能对农产品品质有害的浓度。催化燃烧系统是从环境和冷藏农产品二者的运输和储存系统中去除乙烯的问题的理想解决方案，因为与包含活性炭和沸石分子筛的乙烯吸附剂或乙烯氧化剂如高锰酸钾不同，催化剂在从空气中去除乙烯的过程不被消耗并且因此将不需要经常更换。
使用非均相催化剂的催化燃烧依赖于产生对目标物质具有适当强亲和力的化合物。在可以发生反应之前，催化剂首先需要吸附目标气体物质；同时将目标分子结合到固体表面上并使分子保持在一起的键合不稳定的过程。当吸附的分子不稳定时，吸附的分子氧可以从催化剂表面迁移以与吸附的含碳部分反应，或者O2可以撞击在从气相吸附的物质上(非均相催化原理与实践.第二版，编辑J.M.Thomas和W.J.Thomas.Wiley-VCH,2015)。任一机制的最终结果是碳-碳键断裂并形成碳-氧键。燃烧催化剂的效率和有效性将由它可以吸附目标物质的强烈程度和选择性以及它释放反应产物的容易程度决定；这些顺序过程中的每一个典型地在相同的反应条件下进行。催化剂的功能通常在较高温度下增强，因为催化剂显示出阿仑尼乌斯行为，这使得它们的反应速率以指数方式取决于温度。这种指数依赖性使得在环境温度和亚环境温度下的催化燃烧具有挑战性。虽然可以在200℃下测量合适的催化活性，但催化剂在30℃的反应温度下可能不显示任何可测量的活性。任何给定催化剂的温度依赖性对于其组成而言是独特的。
当含有VOC(包括相关化合物，如乙烯、CO和甲醛)的流由环境空气构成时，则水蒸汽可能作为气流中的附加的重要组分存在。气流的水蒸汽含量是可变的，并且可存在的最大水蒸汽量取决于气流的温度和压力。当达到最大量的水蒸汽时，认为该气体被水蒸汽饱和。当然，有可能是较少量的水蒸汽，并且气流中的水蒸汽量通常以相对湿度(RH)表示。相对湿度被定义为气体中存在的水蒸汽量除以在相同温度和压力下使气体饱和所需的水蒸汽量的比率(表示为百分比)。当含有固定量水蒸汽的气流的温度等压升高时，气流的有效相对湿度则将改变。由于气体的饱和压力从30℃时的0.0425巴升至200℃时的15.5巴，因此在30℃时为70％RH的空气在将流加热至200℃时具有降低至仅0.2％RH的相对湿度。因此，通过将催化剂床加热至高于200℃的温度，可以显著降低通过催化剂的气体的有效相对湿度。
由于水蒸汽的存在，烃的催化燃烧变得复杂。已知在含有苯的流中存在2vol％的水蒸汽(相当于20℃下的85％RH)对Pt/TiO2燃烧催化剂的活性具有抑制作用，但是通过在200℃及更高的温度下操作可以在很大程度上克服该作用。(Liotta,LF.AppliedCatalysis B:Environmental[应用催化B：环境]100,(2010),403-412)。等量水蒸汽对用于催化燃烧乙酸乙酯的相同催化剂的影响更明显，但催化剂活性的完全恢复可以通过将催化温度提高约50℃至300℃来实现。考虑了这种抑制背后的原因，但没有提出确定的机制。不论任何提出的机理的细节如何，水蒸汽的存在用于降低燃烧催化剂的活性和/或稳定性。因此，为了在水蒸汽存在下使燃烧催化剂的稳定性和活性最大化，可以将燃烧催化剂加热到减轻水蒸汽影响的温度，或者需要配制燃烧催化剂以耐受相关的水蒸汽水平。在低于200℃温度下的潮湿流中稀释组分的催化燃烧难以实现，因为较低的反应温度不利于催化剂活性，并且在流中存在大量水蒸汽可能干扰催化剂功能。
Wojciechowski在名称为“新鲜园艺产品储存方法”的US 4,331,693中详细描述了特别适用于乙烯催化燃烧的催化剂的制备。该催化剂包含负载在氧化铝上的铂，并且通过用含有0.05至0.5wt％氯铂酸的溶液浸渍多孔氧化铝载体来制备。为了从空气中去除痕量乙烯，将催化剂床保持在至少200℃的温度下持续5天时间。使用外部热交换器将催化燃烧器的排气流返回到环境中，以避免密封的果实室中的温度升高。通过评估处理过的果实相对于未处理的对照批次的品质来测量催化剂从密封量的果实周围的再循环气氛中去除乙烯的功效。没有测量含乙烯的空气流的湿度，但是这种催化温度足够高以在很大程度上克服由果实呼吸对空气流产生的任何量的水分的影响。
对于新鲜农产品应用，需要将处理过的(排出)空气从催化燃烧器再循环回到存储环境中，这自然地限制了催化燃烧系统的排气温度；增加系统的复杂性和成本的情形。高温催化燃烧系统还需要大量能量来加热催化剂床，但许多运输和储存应用缺乏足够驱动这些装置的动力。这些限制促使催化剂朝向能够在较低温度下使乙烯反应的组合物发展。
Haruta的名称为“用于乙烯的催化燃烧反应的催化剂组合物和通过使用其分解乙烯的方法”的日本专利2012-081458详述了使用一系列金属氧化物载体使用Au、Pd、Ir、Pt和Au/Pt混合物配制的一系列催化剂。最活性的催化剂是含有0.5wt％Au和5wt％Pt的Au/Pt-Al2O3催化剂。该催化剂能够在47℃下转化干燥空气流中的一半乙烯(0.17％乙烯，剩余合成空气)。作者没有使测试气体湿润，并且所有测试使用干气进行。
Yasuda等人的名称为“新型Pt/CeO2-ZrO2-SnO2/Al2O3催化剂上的挥发性有机化合物的低温完全燃烧”的研究(Bull.Chem.Soc.Jpn.[日本化学学会公报]第85卷,第4期,522-526(2012))详述了名称中命名的催化剂的制备和表征。使用含有1vol％乙烯的干气通过升高温度并且监测产物流中乙烯的量来动态测试催化剂配制品。尝试了其他金属混合物，但作者证明含有5wt％Pt的标题配制品具有最高活性。作者没有使测试气体湿润，并且所有测试使用干气进行。
在Jiang等人的名称为“在介孔二氧化硅上负载的铂纳米颗粒上的乙烯的低温氧化”的研究(Angewandte Chemi Int.Ed.[应用化学国际版]2013,52,6265-6268)中，作者详述了一系列基于介孔硅酸盐MCM-41的贵金属负载材料。作者使用含有50ppmv乙烯的干燥测试气体在25℃和0℃下经一段延长的时间测试1％Pt-MCM-41催化剂。虽然乙烯的去除效率在25℃下保持恒定12小时，但催化剂效率在0℃下仅2小时后下降。作者将这种减少归因于催化剂表面上的水积累，并证明只有催化剂再活化才能恢复初始活性。作者没有使测试气体湿润，并且系统中仅存的水是测试气流中50ppmv乙烯的催化燃烧的结果。
Li等人的名称为“在环境条件下在纳米金催化剂上有效消除痕量乙烯”的报告(Environ Sci.Technol.[环境科学技术]2008,42,8947-8951)详述了包含在氧化钴上沉淀的金的材料。作者使用具有不同乙烯浓度的测试气体来测量其催化剂在60分钟时间内的稳定性。显示4％Au-Co3O4催化剂能够在50℃下以5-1050ppmv之间的浓度转化乙烯。然而，使用5ppmv的乙烯进料，所选择的催化剂的性能仅稳定60分钟。在50ppm和1050ppmv下，催化剂的活性在60分钟过程中立即和逐渐降低；下降的速度与进料气中的乙烯浓度成正比。作者没有使测试气体湿润，并且因此所有测试使用干气进行。
Ma等人发表的标名称为“用于痕量乙烯的低温氧化的介孔Co3O4和Au/Co3O4催化剂”的研究(J.Am.Chem.Soc.[美国化学学会杂志]2010,132,2608-2613)详述了在金纳米颗粒存在和不存在下制备特定形态的氧化钴所需的精确步骤。作者提供了与其测试方案相关的一些细节。通过包含金纳米颗粒，实现了超过普通基材2.5倍的增益，并且作者报道在0℃下乙烯转化率为76％。该研究没有提供必要的细节来理解实验是如何进行的或者如何计算转化值。作者没有使测试气体湿润，并且所有测试使用干气进行。
在上述所有现有技术中，乙烯的催化燃烧是在高温(200℃或更高)下或在较低温度下使用未加湿的气体完成的。对于在低于200℃温度下在湿度存在下催化燃烧既没有披露结果，也没有提出讨论。
本发明解决了在低温、潮湿条件下提供足够的催化燃烧活性的需要。此外，本发明提供了其他相关益处，这将从以下披露内容中显而易见。
发明内容
已经发现某些所选择的催化剂组合物对于用于在低温、潮湿条件下催化燃烧气态物质是可以可接受的。催化剂组合物提供足够的催化燃烧速率，并且重要的是，当在高水平的水蒸汽存在下并且在相对低的温度下暴露于物质时，它们保持活性。还披露了新颖的干燥剂耦合催化燃烧方法和系统。
特别地，一种用于催化燃烧气态物质的方法包括：获得包含负载在可离子交换的碱金属钛酸盐基材上的一定量的贵金属的燃烧催化剂组合物；并且在含氧气体和水蒸汽存在下、在低于200℃的催化温度下并且在高于0.5％的相对湿度下将该物质暴露于该燃烧催化剂组合物，其中该物质在该燃烧催化剂组合物处与氧气一起燃烧。
该燃烧催化剂组合物步骤可以包括获得可离子交换的碱金属钛酸盐；并且将该碱金属钛酸盐与该量的该贵金属进行离子交换。
该气态物质可以是不饱和烃、醛、或一氧化碳，例如乙烯、甲醛或一氧化碳。
当通过用该量的贵金属与该碱金属钛酸盐进行离子交换来获得可离子交换的碱金属钛酸盐时，该方法可以包括通过水热处理包含碱金属氢氧化物和二氧化钛源的混合物来制备碱金属钛酸盐。例如，该碱金属钛酸盐可以是钛酸钠，并且该碱金属钛酸盐可以具有大于2meq/g的阳离子交换容量。
贵金属可以选自由铂、钯、金和银组成的组，并且该方法可以包括将该碱金属钛酸盐与一定量的附加贵金属进行离子交换。此外，该方法可以包括将该碱金属钛酸盐与一定量的附加过渡金属(例如锌、锡或钴)进行离子交换。
示例性燃烧催化剂包含Pt、Pt-Zn、Pt-Sn、Au、Pt-Pd-Sn、Pd、Pd-Zn、Pd-Sn、或Pd-Zn-Sn。
在示例性燃烧催化剂组合物中，贵金属的量可以高达该燃烧催化剂组合物重量的7％。当存在时，示例性燃烧催化剂中附加过渡金属的量可以高达该燃烧催化剂组合物重量的10％。
当该气态物质是乙烯时，该方法可以在乙烯物质的浓度小于按体积计2.7％、值得注意地甚至小于1000ppmv、并且甚至更值得注意地小于约50ppmv时有效。所使用的含氧气体可以是空气。
该方法可以在低于100℃、并且特别是低于30℃的催化温度下完成。此外，该方法可以在高于5％RH、值得注意地甚至高于约35％RH、并且甚至更值得注意地高于约90％RH的相对湿度下完成。
在本发明方法中并且取决于所涉及的组合物，在该获得步骤之后，该燃烧催化剂组合物可以任选地在高于350℃的温度下活化。可替代地，再次取决于所涉及的组合物，在该获得步骤之后，该燃烧催化剂组合物可以任选地在低于150℃的温度下活化。
本发明的优点是该燃烧催化剂组合物在水蒸汽存在下将该物质暴露于该燃烧催化剂组合物时保持基本稳定。
还开发了一种用于进行气态物质的催化燃烧的通用方法。该通用方法包括干燥剂耦合催化燃烧，并且可以在使用干燥剂耦合催化燃烧系统将该物质暴露于该燃烧催化剂组合物的步骤中用于上述方法中。此外，该通用方法可以施用于在其中该催化燃烧是光催化燃烧的情形。
一种用于实现干燥剂耦合催化燃烧的通用系统包含第一干燥剂量、催化剂组合物、第二干燥剂量、进料流的入口、通向大气的出口、以及流体硬件。该流体硬件被配置成交替地将该进料流引入该入口、通过该第一干燥剂量、通过该催化剂组合物、通过该第二干燥剂量、并且离开该出口，或者进入该入口、通过该第二干燥剂量、通过该催化剂组合物、通过该第一干燥剂量、并且离开该出口。这种系统特别适合与上述燃烧催化剂组合物(即包含负载在可离子交换的碱金属钛酸盐基材上的一定量的贵金属的组合物)之一一起使用。
在一个实施例中，该干燥剂耦合催化燃烧系统包含具有两个末端的填充床、以及第一和第二切换阀。该填充床包含第一干燥剂层、第二干燥剂层和催化剂组合物层，该第一干燥剂层包含在该填充床的第一末端处的第一干燥剂量，该第二干燥剂层包含在该填充床的第二末端处的第二干燥剂量，该催化剂组合物层包含在该第一与第二干燥剂层之间的催化剂组合物。该第一切换阀被连接到该填充床的第一末端并且可切换，使得该填充床的第一末端连接到进料流的入口或连接到通向大气的出口。以类似的方式，该第二切换阀被连接到该填充床的第二末端并且可切换，使得该填充床的第二末端连接到进料流的入口或连接到通向大气的出口。在此类实施例中，该第一干燥剂量和该第二干燥剂量可以包含相同的材料或者可替代地包含不同的干燥剂材料。
在另一个实施例中，如权利要求30所述的干燥剂耦合催化燃烧系统包含壳体、该壳体内的结构化床、第一和第二挡板、以及用于旋转该结构化床的电动机，该壳体包含进料口和排气口，其中该进料口和该排气口分别是该进料流的入口和通向大气的出口。该结构化床包含干燥剂侧和催化剂组合物侧，该干燥剂侧在该结构化床的第一侧上包含该第一干燥剂量和该第二干燥剂量二者，该催化剂组合物侧在该结构化床的第二侧上包含该催化剂组合物。此外，该结构化床可绕轴线旋转，该结构化床的干燥剂侧面向该进料口和该排气口，并且该结构化床的周长密封且滑动地接合到该壳体的内部上。该第一挡板密封且滑动地接合到该结构化床的干燥剂侧上并且此外密封地接合到该壳体上，以便将该干燥剂侧分成连接到该进料口上的段和连接到该排气口上的段，并且以便将该进料口侧段与该排气口段分开。该第二挡板位于该第一挡板的对面，并且密封且滑动地接合到该结构化床的催化剂组合物侧上。此外，该第二挡板密封地接合到该壳体上，以便将该催化剂组合物侧分成对应于这些干燥剂侧段的段，并且以便将这些相应的段分开(除了靠近与该催化剂组合物侧相对的壳体末端之外)。在此类实施例中，该结构化床可以有利地是轮形的。
附图说明
图1显示了本发明的填充床DCC系统的示意图。
图2显示了本发明的替代DCC的示意图，其包含被容纳在外壳中的结构化床。
图3显示了图2的结构化床DCC系统的剖面示意图。
图4显示了随着测试气体的流速顺序降低，乙烯(实线)和CO2(虚线)的质谱仪信号的轨迹。时间从左到右增加。流速从200依次降低到100，然后降低到50，并且最后降低到25sccm。CO2图中的阶跃变化表明何时调节流速。CC1是测试中使用的催化剂。
图5显示了长运行时间实验的乙烯质谱仪信号的轨迹。在暴露于200sccm的加湿测试气体约16.5小时后，使用气体流速、方向和组成的一系列变化来测量乙烯的转化率。
图6显示了对于CC1催化剂在加湿的测试进料流中转化的乙烯分数对20℃下流的相对湿度。所有测量中使用的流速为25sccm。
具体实施方式
本文中术语“干燥剂耦合催化燃烧”(DCC)用于指结合至少部分干燥和至少部分催化以使得干燥和催化二者同时发生的方法。然而，干燥和催化可以在不同的单独区域中发生。“干燥剂耦合催化燃烧系统”是在其中发生DCC的系统。
现有技术已经证明，通过将催化剂床加热到超过200℃，可以通过催化燃烧有效地除去加湿空气中的痕量有机化合物。使用此类高温有利于高催化剂活性并有助于克服水对催化剂活性的有害影响。当此类催化剂条件用于其中经处理的空气返回到同一封闭环境的封闭环境中时，重要的是尽可能地降低催化剂床的排气温度以避免不希望的温度升高。在这方面，痕量的乙烯、一氧化碳和甲醛的去除具有几个共同的属性。污染物的存在通常发生在封闭环境中。此外，可能不存在驱动高温催化剂系统的动力。并且在所有情况下，通常优选使来自催化燃烧器的废气在与其进入催化燃烧器时相同或附近的温度和湿度下返回。使用需要极少或不需要加热的催化剂可以理想地满足这些标准，以促进目标物质的催化剂燃烧。
通过催化燃烧从果实、蔬菜和切花周围的气氛中去除乙烯是特别具有挑战性的，因为在大多数情况下，这些商品周围的气氛被冷藏并保持在高RH以保持农产品新鲜度。用于从此类环境中去除乙烯的催化燃烧系统可以取决于应用的要求。固定存储应用具有获得电力的益处，并且可以利用该电力来驱动高温催化燃烧器和高功率空调系统以维持果实和相关农产品的温度。通过降低催化剂床温度并因此降低与操作系统相关的成本，可以为此类系统带来优势。通过在储存室的环境温度下操作催化剂床也可以带来显著的优势，因为不需要加热气流。封闭或密封的包装应用是催化燃烧的最具挑战性的应用，因为农产品周围的气氛与包装周围的环境没有处于有效的流体连通。因此，封闭或密封的包装应用需要将被动催化燃烧系统直接整合到包装中。成功的催化剂需要在较低温度下具有可接受的活性水平以及在显著水平的水蒸汽存在下保持该活性的能力。
乙烯对果实代谢的影响可以用于使未成熟果实人工催熟。所谓的催熟室是环境控制的室，用于在高相对湿度下保持冷却农产品并使它们暴露于相对高(100-1000ppmv)的乙烯浓度。合成空气混合物中高水平的乙烯引起引发成熟的果实的即时代谢反应。当它成熟时，果实产生额外量的乙烯，这可以提高在LEL上方的室中的乙烯浓度；这种情形显示出严重的安全隐患。放空室内的一些气氛以降低乙烯浓度改变室内的环境条件，因为冷却的潮湿空气被排出并且用于补充的环境空气是未冷却的。需要快速积累乙烯以引发均匀成熟，但是当农产品的人工催熟完成时，希望从室内快速去除乙烯以停止该过程。在乙烯敏感的植物和农产品附近排出乙烯污染的全部空气可能造成不必要的损害。催熟室可以受益于催化燃烧系统的整合，该系统保持农产品周围的环境(温度和湿度)，同时选择性地去除乙烯。催化燃烧系统可以间歇运行以防止乙烯超过LEL的某些特定部分和/或催化燃烧系统可以连续运行以从催熟室中消除乙烯而不需要通过通风来损失室内的气氛。在这样的环境中操作的催化燃烧系统需要适应高浓度乙烯的初始激增，之后随着该室乙烯逐渐减少，乙烯浓度应该逐渐减小。
从空气中去除CO的需要是由其对人类健康的固有毒性所驱使的。因为被处理的空气通常用于呼吸，所以寻求在经处理的气体中保持环境空气的温度和湿度特性。可以取决于有待从其中去除CO的环境来实施各种催化燃烧系统。对于从供给车辆或飞行器的乘客舱的空气中去除CO的应用，有可能利用车辆动力系统来驱动其中被引入乘客舱的空气首先被强制通过催化燃烧系统的过程。此类系统可以利用多余的发动机热量或与电阻加热器结合使用车辆或飞行器电气系统以加热催化剂床从而增强催化剂活性。为了保护车辆或飞行器外的个体，使用筒和/或过滤器的防毒面具(呼吸器)通常用作自给式呼吸设备的替代物。引入呼吸器的进气筒或过滤器中的催化剂可以在空气被吸入元件时燃烧CO。理想地，呼吸器应用需要催化剂在环境温度下适应全部负载的湿度，同时仍保持可接受的活性。可以有利地用于呼吸器的此类催化剂也可以代替需要热量和/或能量的更复杂的系统用于保护车辆或飞行器的客舱气氛。
在其中存在使化学品排出气体的建筑材料的建筑物中，甲醛积累可能是一个问题。在没有任何去除机制的情况下，随着空气不断地再循环通过建筑物，污染物随着时间的推移而累积。用于去除甲醛的催化燃烧系统可以利用建筑物中存在的功率来驱动高温催化燃烧系统。然而，即使催化温度降低到低于200℃，加热所涉及的空气体积的能量要求也是令人望而却步的。催化剂床在环境温度下操作的方法将更经济。这种解决方案需要在低温下具有可接受活性的催化剂。最有利地，甲醛燃烧可以通过将包括燃烧催化剂的一些元件整合到建筑物的现有空气循环系统中来实现。当建筑物空气横跨含催化剂的元件被吸收时，催化剂元件应该能够燃烧甲醛。
已经发现某些所选择的催化剂组合物对于用于在低温、潮湿条件下催化燃烧气态物质是可以可接受的。催化剂组合物提供足够的催化燃烧速率，并且重要的是，当在高水平的水蒸汽存在下并且在低于200℃且特别地低于30℃的温度下暴露于物质时，它们保持活性。
本发明的燃烧催化剂组合物可以通过将贵金属或贵金属和过渡金属的混合物负载在碱金属钛酸盐上来制备。碱金属钛酸盐由于其高表面积、离子交换能力和容量以及高热稳定性的组合而是理想的催化剂载体。本文中，碱金属钛酸盐是可以将阳离子交换到固体表面上以交换天然碱金属阳离子的材料。这是碱金属钛酸盐材料在环境温度下进行离子交换的能力，它将碱金属钛酸盐与其他完全缺失这种特性的无关材料如钛酸钡区分开来。
虽然本领域已经报道了一系列相关材料，但研究最多的材料是钛酸钠；也称为含水钛酸钠或水合钛酸钠。钛酸钠是本发明的碱金属钛酸盐的示例。通过将碱源(典型地为氢氧化钠)与钛源结合形成钛酸钠。钛源可以是烷氧基化合物，如异丙醇钛(US4,511,455；US5,177,045；US5,461,022；US4,929,582)，或者它可以是氧化钛源(US8,580,226；US4,853,202；Sun等人Chem.Eur.J.[欧洲化学杂志]2003,9,2229-2238)。在前一种情况下，钛酸钠通过沉淀过程形成，其可以产生X射线无定形材料，而在后一种情况下，使用水热过程将至少部分固体二氧化钛转化为钛酸钠并产生显示可识别的X射线衍射图案的产物。任何一种方法可以在合成混合物中包括添加剂以促进钛酸钠产物中特定特征的形成。钛酸钠的阳离子交换容量(CEC)典型地以每克材料的毫当量(meq/g)表示。将当量定义为交换到钛酸盐表面上的阳离子的摩尔数乘以那些阳离子的化合价。毫当量只是当量数乘以一千的乘积。在实践中，钛酸钠的阳离子交换容量可以取决于材料的品质、所选的阳离子和所用的离子交换条件在约2至6的范围中(在合成的基础上)(Sun等人Chem.Eur.J.[欧洲化学杂志]2003,9,2229-2238；Stephens等人,Ind.Eng.Chem.Prod.Res.Dev.[工业和工程化学产物研究和进展]1985,24,15-19；Bunker等人第8章,表征和催化剂进展,Bradley等人编辑.ACS论文集系列第411卷,1989)。
选择燃烧催化剂组合物时贵金属的选择不受限制，并且在各种固体载体上的铂、钯、银和金都已显示出对催化氧化反应具有活性。含有铂的组合物对于VOC去除应用是常见的，尽管基于钯和金的催化剂也已广泛用于催化燃烧(Liotta,LF.Applied Catalysis B:Environmental[应用催化B：环境]100(2010)403-412；Huang等人Catal.Sci.Technol.[催化科学与技术]2015,5,2649-2669；Spivey,JJ.Ind.Eng.Chem.Res.[工业与工程化学研究]1987,26,2165-2180；van de Beld等人Chemical Engineering and Processing[化学工程与加工]34(1995)469-478；Xanthopoulou等人Eurasian Chemico-Technological Journal[欧亚化学技术期刊]17(2015)17-32)。在催化剂设计中使用共金属是常见的，并且含有贵金属和过渡金属二者的双金属和三金属催化剂体系已经应用于高温汽车排气催化燃烧应用(Liotta,LF.Applied Catalysis B:Environmental[应用催化B：环境]100(2010)403-412；Spivey,JJ.Ind.Eng.Chem.Res.[工业与工程化学研究]1987,26,2165-2180)、高温氢化/脱氢反应(Yu等人AICHE J.[美国化学工程师会志]61:4367-4376,2015；Masai等人J.Catal.[催化杂志]50,419-428(1977)；Burch,R.J.Catal.[催化杂志]71,348-359(1981)；Freakley等人Science[科学],2016年2月第351卷第6276期)以及其他选择性催化氧化反应(Du等人ACS Catal.[ACS催化]2012,2,287-297；Bond等人JCS Chem.Comm.[JCS化学通讯]1975 796-797)。虽然已经确定共金属可以帮助防止贵金属在高温下烧结或者可以与贵金属合金以改变贵金属周围的电子环境，但不可能精确地知道共金属的功能。共金属还涉及促进氧气横跨载体表面的传输。现有技术的催化剂研究表明，当与铂或钯组合时，某些较低成本的金属如锌和锡作为共金属是可相容的。相比之下，金似乎与钴、铁和镍正相互作用。虽然可以从现有技术中得出一般观察和推论，但是一种或多种贵金属和一种或多种过渡金属的选择、它们在载体上的绝对和相对量、以及制备用于反应的催化剂的方式仍然是发现每种组合物、每种反应类型以及一类反应中的每组条件的问题。
在制备金属负载的钛酸盐催化剂中，选择其中金属盐在水溶液中解离以产生金属阳离子的试剂是有利的，但不是必需的。这些试剂允许金属通过离子交换过程沉积到钛酸盐载体的表面上。这些试剂包括硝酸四铵合铂(II)、硝酸钯(II)和氯化金(III)。氯化锡(II)二水合物、硝酸锌(II)和氯化钴(II)也与硝酸银(I)一样满足该要求。这些试剂可以是无水的或以其结晶形式水合。在溶液中产生金属阳离子的试剂盐使得简单地通过改变溶解在离子交换溶液中的金属盐的量来改变钛酸盐载体上的贵金属和共金属的绝对和相对量都是容易的。
也有可能通过初湿含浸法配制钛酸盐催化剂。Yu等人提供了通过初湿含浸制备双金属钛酸盐催化剂的方法(AICHE J.[美国化学工程师会志]61:4367-4376,2015)。使用初湿含浸法的优点是可以在盐不会在水中解离而产生金属阳离子的情况下使用试剂。初湿含浸浸渍的使用还有利地消除了作为加工步骤的过滤。还有可能通过固态离子交换过程制备钛酸盐催化剂。当钛酸盐载体与金属盐或盐紧密混合、共混或研磨时，可以发生固态离子交换过程。当对于盐中的金属离子而言与钛酸盐表面上的离子相比钛酸盐的亲和力更大时，则可以通过表面扩散现象发生一种逐渐替代另一种。固态离子交换的过程典型地通过高温来促进，尽管该过程可以在小于盐熔点一半的温度下进行(虽然时间尺度较长)。
用于VOC去除的此类本发明催化剂的实施可以由在希望条件组下的催化剂性能和/或由应用的需要和限制决定。燃烧催化剂的应用可以任意分为高温和低温区域，其中高温是高于30℃并且低温时处于或低于30℃。进行这样的区分是为了反映未经调节的大气温度的合理上限。由于在不需要存在C2H4、CO、或CH2O的应用中湿度几乎无处不在，燃烧催化剂的实施可以进一步分为RH高(>60％RH)、中等(5％-60％RH)、和低(<5％RH)的应用。最苛刻的应用是那些需要催化剂系统在低温和高湿度下操作的应用，原因如前所述。
对于有可能加热催化剂床的应用，有利的是通过热交换器从排气流中捕获尽可能多的热能。用于去除乙烯的催化燃烧系统的设计在本领域中已经很好地建立，并且此类系统的实例在专利US7,214,351；US5,484,574；US5,164,168；US5,008,091；4,506,599以及英国专利申请GB2,163,637中有所报道。本发明的燃烧催化剂组合物有利于用于任何这些体系，因为使用在20℃下湿润至100％RH的气体，各种组合物在低于200℃的温度下保持适当的活性。例如，在以下实例中制备的某些组合物显示出这样的合适活性，例如，特别是编号CC9-CC11。实际上，实例中的所有本发明组合物(除了在20℃下活化的CC11)证明在150℃和更低的温度下超过现有技术1％Pt-Al2O3催化剂的性能的能力。由于本发明催化剂提供的催化剂床温度较低，将上述本发明的燃烧催化剂组合物之一与任何现有技术的催化燃烧系统配对将允许催化燃烧系统使用较少的能量进行操作。
对于加热催化剂床是不切实际或不希望的应用，燃烧催化剂组合物的活性在低温下应该是可接受的。在以下实例中，本发明的组合物编号CC1-CC6显示出这种活性，尽管这些组合物的活性与RH成反比。为了利用较低RH下较高的催化剂活性，此类组合物可以用于其中含有VOC的进入空气在通过催化剂之前首先被部分干燥的配置中。可以通过使用对水蒸汽具有合适吸附亲和力的固体干燥剂来实现空气流的部分干燥。干燥剂的选择不受限制，并且可以选自硅胶、活性氧化铝、硅铝酸盐凝胶、活性炭、沸石分子筛、钛硅酸盐分子筛、或其混合物。硅胶是特别有利的，因为它具有高容水量和在宽RH范围内的线性吸附曲线。干燥剂对水具有有限的吸附能力，并且因此如果要在连续过程中使用干燥剂，则需要定期干燥(或再生)。
含有VOC的气体可以在独立的干燥剂系统中部分干燥，并且然后可以将来自干燥剂系统出口的部分干燥的流导入含有燃烧催化剂组合物的床中。使用独立干燥系统的限制之一是将用于再生干燥剂的气体部分直接返回到仍含有进料中存在的全部VOC的气氛中。独立干燥系统的另一个限制是当水分吸附在干燥剂上时释放的潜热在干燥过程中损失。水在干燥剂上的吸附焓产生放热曲线，并且可以有利地用于加热气体。将略微加热的、部分干燥的气流递送到燃烧催化剂组合物可以是双重有益的，因为组合物的活性可以受益于气体的升高的温度和降低的湿度二者。
通过将部分干燥和催化燃烧组合成单一过程，认为是能够在低温下提高催化剂活性的系统。这种过程被称为干燥剂耦合催化燃烧(DCC)，并且基于该过程的系统是DCC系统。总体上，本发明的DCC系统包含第一干燥剂量、催化剂组合物、第二干燥剂量、进料流的入口和通向大气的出口。在操作中，干燥剂量之一是从进入的气体吸附水，而另一个干燥剂量将吸附的水解吸到系统排气中。为实现此目的，提供了流体硬件，该流体硬件被配置成交替地将该进料流引入该入口、通过该第一干燥剂量、通过该催化剂组合物、通过该第二干燥剂量、并且离开该出口，或者进入该入口、通过该第二干燥剂量、通过该催化剂组合物、通过该第一干燥剂量、并且离开该出口。
理想地，在DCC过程中，催化剂和干燥剂区域是分开且单独的层或带，并且进料气体在通过催化剂之前遇到干燥剂。尽管不太有利，但有可能形成干燥剂和催化剂的混合物，使得干燥和催化燃烧同时发生。混合物不能充分利用水吸附所产生的潜热，也不能使所有催化剂都受益于部分干燥的气体。干燥剂的选择、其使用的量以及进入气体的RH将决定从流中去除多少水。对于本发明的催化剂，不必从气流中去除所有水分。为了提高催化剂功能的目的，气流不需要比0.5％RH更干燥、并且优选不需要比5％RH更干燥。在某些情况下，该流可以仅干燥至15％-35％RH，因为本发明的催化剂在该湿度水平下已证明具有可接受的活性。
为了利用部分脱水和气体加热二者来提高催化剂活性，可以考虑使用填充有交替的干燥剂和催化剂颗粒层的填充床的DCC工艺，其中在床的顶部放置一定量的干燥剂，并且将另一个量的干燥剂放在床的底部，并将催化剂置于其间。干燥剂和催化剂颗粒可以是珠粒、球粒、挤出物、颗粒或其混合物。这种DCC系统如图1所示，其中导管和阀门将进料气体连接到床102的两个末端，该床包含两个干燥剂层102a和102c以及单个催化剂层102b。该方法将进料交替进入床的每个末端，使得在床的一个末端处产生的部分干气用于在另一末端再生含水分的干燥剂。在整个DCC过程中，催化剂接触部分干燥的气体，而来自床两个末端的排气流将VOC耗尽的冷却湿气返回到从其中提取其的大气中。使用各自含有干燥剂段和催化剂段的双床的DCC工艺同样很好地工作，其中催化剂段是流体结合的。
在图1中，气体流动通过床的方向取决于其处于过程的哪个步骤而交替。供给方向被认为是图中的向下方向，而反向方向被认为是图中的向上方向。在所提出的方法的第一步骤中，含有湿气和VOC的进料流110连续地通过导管101输送。切换阀103将进料流110引导到床102中，而同时切换阀105将来自床102的排气流引导通过排放到大气中的导管106。当含有VOC的进料流110通过床102时，流中的水被吸附在干燥剂层102a中的干燥剂上，该干燥剂部分地干燥并加热气流。部分干燥且加热的流随后在催化剂层102b中遇到其中至少一部分VOC被燃烧的催化剂组合物。当这种干燥的、VOC耗尽的流在干燥剂层102c上行进时，它将从其中的干燥剂中解吸水。该作用使干燥剂层102c中的干燥剂再生并使该气流湿润和冷却。然后将VOC耗尽的潮湿的冷却流通过导管106排放到大气中。在该方法的第二步骤中，通过切换阀105将潮湿的进料流110引导至床102的下部，而同时，切换阀103引导床102的排气通过导管104排放到大气。在该第二步骤中，潮湿的逆流最初遇到干燥剂层102c中的干燥剂，该干燥剂先前已经再生，能够从进料流110吸附至少一些水蒸汽。该过程的其余部分如前所述重复，但情况相反。然后，部分干燥的逆流遇到催化剂层102b中的其中至少一部分VOC发生反应的催化剂组合物。当这种部分干燥的、VOC耗尽的逆流遇到干燥剂层102a中的负载水分干燥剂时，该流解吸至少一部分水，并且在这样做时，再生干燥剂并且使气体冷却和湿润。然后，将这种冷却的加湿的VOC耗尽的气体通过导管104排放到大气中。以这种方式，实现了循环过程，其能够通过向催化剂层102b提供部分干燥的气体同时将VOC耗尽的气体以相似的温度和RH返回到其从中取出的气氛来提高催化剂活性。(注意，图1中所示的DCC系统采用两个离散的切换阀103，105，例如电磁阀，以实现通过床102的希望的交替流动。然而，对于替换使用，可以考虑能够适当地交替通过床102的流动方向的任何切换阀系统。例如，有可能使用一个或多个合适的旋转阀来实现相同的功能。以相似的方式，可以替代地使用适当配置和排序的一系列截止阀。
可以使用结构化床代替一个(或多个)填充床来进行上述过程。合适的结构化床包括蜂巢或整料结构、波纹或褶皱结构，或其中流动通道分离连续的活性材料片的螺旋缠绕的层压结构。取决于结构的需要和限制，可以通过喷涂、洗涂、滑涂、浸渍、轧辊或压延将干燥剂和催化剂涂覆或以其他方式沉积在结构上。结构化床可以由塑料、金属、陶瓷或其混合物制成，这取决于希望结构的机械和/或轴向和纵向传热特性。蜂巢结构或整料结构的壁如应用要求的可以是多孔的或无孔的，并且可以含有惰性或活性材料。活性材料的实例可以是包含活性炭、分子筛和金属氧化物如氧化铝的吸附剂，而莫来石、滑石、堇青石和高岭石是惰性材料的实例。
上述用于填充床和/或结构化床实施例的干燥剂耦合催化燃烧(DCC)方法可以可替代地使用旋转轮形实施例中的结构化床来实施，同时保持与以上对于填充床实施例所述的相同的益处。图2中示出了这种DCC系统的示例性实施例的剖面示意图。轮形结构化床202容纳在壳体201中(仅图2中所示的部分)，该壳体封闭并密封其中的床202。该结构化床202被挡板203和204分成段(即进料段201’和排气段201”)，这些挡板抵靠结构化床202的面密封，以防止气体在将其通过结构化床202输送之前滑过这些挡板。如图所示，结构化床202有利地被挡板203，204分成两半，但是如果需要保证，可以添加附加的挡板以进一步划分结构化床202。将变速电动机205结合到驱动带206上，以使结构化床202绕其轴线连续旋转(旋转方向由图2中的箭头指示)，使得结构化床202的每个段在由操作者指定的一段时间段行进整个旋转。与填充床相比，使用结构化床是有利的，因为结构化床允许该过程连续操作，而不需要切换阀来循环通过床的气体流动方向。与填充床相比，结构化床还为气体流动提供较小的阻力，这可以降低通过结构输送气体所需的能量。
与图1的填充床DCC系统一样，通过结构化床的流动可以通过结构重新引导回来，使得逆流离开进料流所进入的结构化床的同一面。有利地，进料口和排气口可以相隔180度定位，以允许床中的吸附和解吸时间相等。这在图3中示出，图3是图2的结构化床DCC系统的剖面侧视示意图。在图3中，进料口与排气口之间的径向偏移为180度。在图3中，壳体301分别通过挡板303分成进料段和排气段301'和301"，该挡板将进料口307与排气口308密封并隔离。如图2所示，挡板303还形成抵靠轮形结构化床302的面上的密封件，以最小化壳体301的进料段与排气段之间的交叉流动的量。轮形结构化床302以下面的方式整合到壳体301中，使得流动不能绕过结构化床302内的流动通道。如图3所示，轮形结构化床302由干燥剂侧302a和催化剂侧302b构成。干燥剂侧302a至少以结构化床形式包含第一和第二干燥剂量，并且典型地整个干燥剂侧302a包含整个结构化床干燥剂。然而，同样有可能的是，侧面302a和302b可以反而是分别各自含有干燥剂和催化剂的两个单独的轮形结构化床。轮形结构化床302绕其平行于其流动通道的轴线连续旋转，其速率允许在干燥剂侧302a中的干燥剂上吸附合适量的水，并且允许在催化剂侧302b中的催化剂上燃烧合适量的VOC。挡板304像挡板303一样用于密封并隔离壳体301的进料301'和排气301"段，并与该结构化床302的面一起形成密封件。然而，挡板304不在壳体301的整个长度上延伸，并且在挡板304的末端与壳体301之间存在间隙，以允许部分干燥的VOC耗尽的流通过结构化床302横跨催化剂侧302b经负载水分的干燥剂返回，并且通过排气口308排到大气中。
如图3中的箭头所示，潮湿的进料流310连续地进入进料口307并行进通过进料段301'，在那里它首先遇到结构化床的干燥的干燥剂302a'。离开302a'的部分干燥的气体然后横穿结构化床的催化剂侧302b'，在该催化燃烧侧中发生催化燃烧。部分干燥的VOC减少的气体离开催化剂侧302b'并在通过挡板304的末端与壳体301之间的间隙之前继续通过进料段301'。现在在排气段301"中，部分干燥的、VOC耗尽的流遇到结构化床的催化剂侧302b"，在其中可以再次发生催化燃烧。通过302b"的流随后进入负载水分的干燥剂302a"，于是302a"中的干燥剂至少部分干燥。离开结构化床段302a"的加湿的VOC耗尽的气体在最后通过排气口308返回大气之前进入排气歧管301"。使用结构化床同样实现DCC过程的益处，因为排气口308将VOC耗尽的潮湿的冷却气体返回到大气中。无论是使用填充床还是结构化床，DCC系统都需要一些能量来操作，并且因此适用于在其中能量可用来驱动系统组件并通过一个或多个床输送气体的应用。
如果这种活性材料可以从气流中积累乙烯，则在DCC系统的任一实施例中与催化剂层混合或分开放置的活性材料的整合可以是有益的。在流中存在VOC的浓度不能通过系统中存在的催化剂去除到希望水平的情形下，活性材料或吸附剂则可以积累未反应的VOC以防止其排放到大气中。当随后向系统提供含有较低浓度VOC的进料流时，吸附剂将随时间释放吸附的VOC，并且然后解吸的VOC可以被催化剂燃烧。对特定VOC具有强吸附亲和力的吸附剂是特别有利的，因为它们将在目标物质的低分压下具有高吸附能力。此类吸附剂通常将掺入过渡金属或贵金属。负载到包括活性炭、沸石分子筛和金属氧化物如Al2O3的一系列载体上的由Cu(I)、Ag(I)、Pd(II)和Pt(II)构成的吸附剂都显示出对于诸如CO和乙烯的物质的适合的吸附亲和力。可以使用单一、多种或这些吸附剂的混合物的存在来去除未燃烧的VOC。这种配置对于催熟室特别有利的，在其中流中乙烯的浓度不随时间恒定并且在其中间歇地使用高浓度的乙烯。
在不能获得操作DCC系统的能量需求的情形下，催化剂则应保持适当活性而不使气体部分干燥。例如，以下实例中的催化剂组合物编号CC1和CC4-6已证明在低温和高RH下均发挥作用的能力。这种能力允许燃烧催化剂用于不能容纳工厂周边设施以支持催化剂功能的应用中。可以利用可以在低温和高RH下催化燃烧有机污染物的催化剂的应用是：含有易腐产品(如果实、蔬菜、观赏植物或切花)的包装；个人呼吸器；以及商业和住宅采暖、通风和空调(HVAC)系统。
对于将催化剂组合物整合到含有易腐产品的包装中的应用，该催化剂组合物可以形成颗粒、球粒、挤出物或珠粒，并封闭在如通常的用于活性包装领域的透气的(并且典型地疏水的)小袋(包含干燥剂、吸气剂、氧化剂和吸附剂)中。在此类应用中，该催化剂组合物通过包装中气体的自然对流和扩散与产品周围的大气处于流体连通。该催化剂组合物也可以被浸渍或涂覆到包装材料上，如纸箱、板条箱、果实盘和小室分隔物。将催化剂组合物整合到支撑农产品的元件中是特别有利的。使乙烯产生和燃烧源紧密靠近有助于防止可以积累乙烯的气体停滞袋。确保将疏水的透气的阻挡物或膜放置在催化剂层上或粘合到催化剂层上以防止催化剂组合物的磨损、磨耗或结垢是有利的。尽管本发明的燃烧催化剂组合物的最有利的整合涉及在其中包括催化剂元件的物品易于去除和再利用的、具有高渗透性以促进气体运输并且紧邻农产品的那些，但无数这样的解决方案是可能的。
对于在其中依赖个人呼吸器以去除CO的应用，可以以下面的方式将催化剂组合物整合到相容的筒或过滤器中，以使与催化剂组合物接触的气体量最大化，而没有引入横跨筒或过滤器的过度压降。对于这样的应用，筒可以填充有催化剂组合物的珠粒、球粒、颗粒或挤出物，可以将其安装在合适的挡板或过滤器之间以防止它们的损失和磨耗。该催化剂组合物也可以涂覆、沉积或浸渍到织造或非织造织物或毡中。涂覆在过滤材料上的催化剂组合物可以打褶以增加与空气接触的催化剂组合物的表面积。在所有情况下都有利的是在催化剂元件的上游包括微粒过滤器以防止过滤器的催化剂部分结垢。
对于催化剂组合物与现有的强制空气再循环系统一起使用的应用，催化剂组合物则可以以下面的方式整合到现有的空气再循环或HVAC系统中，使得正在循环的空气与催化剂组合物处于流体连通。为了实现这一点，可以将催化剂组合物涂覆、沉积或浸渍在织造或非织造基材上或其中。该基材可以形成过滤器并以增加暴露于气流的表面积的方式打褶。同样地有可能使用结构化床用于此类应用，前提是床不会通过系统产生过量的流动限制。催化剂组合物在催化剂元件上游由牺牲过滤器保护以防止催化剂组合物结垢是有利的。整合到再循环空气系统中的这些实施例可以用于从农产品储存设施中去除乙烯、从车辆中的客舱中去除一氧化碳、并且从住宅和商业建筑物中去除甲醛。
尽管前面的描述针对某些特定的催化剂类型和燃烧过程，但是本领域技术人员将理解，所披露的DCC方法和系统可以用于其他催化燃烧应用，例如，光催化燃烧应用。为此，需要将适当的光源整合到系统中以用于光催化。例如，可以考虑类似于在“用于空气净化的光催化活性”,S.Hay等人,Molecules[分子]2015,20,1319-1356中披露的那些但适用于本发明目的的建筑物。此外，可能需要几个阶段以获得足够的接触时间以使其有效。
以下实例已经被包括来说明本发明的某些方面但是不应该解释为以任何方式限制。
实例
制备一系列本发明和对比催化剂，并在各种温度和湿度下测试对乙烯燃烧的催化活性。发现贵金属、共金属、活化温度和相对湿度的选择各自以不同方式影响催化剂活性。总的来说，发现一系列催化剂可以解决以上建议的高RH下从高温催化燃烧到的低温催化燃烧的全部范围的VOC应用。发现含有铂的催化剂组合物在低于200℃的温度下在含有高达2.3vol％水蒸汽(20℃下，100％RH)的气流中是活性的。相似地发现含有钯的催化剂组合物在低温操作(30℃及以下)下是活性的。还发现，与贵金属一起使用的共金属改变了催化剂的行为。催化剂组合物的活化温度(定义为测试前催化剂材料的预处理温度)对催化剂活性具有显著影响，其中铂配制品优选高温(>500℃)活化并且钯组合物优选在低于150℃的温度下活化。
通过水热处理结晶TiO2来制备钛酸钠载体。将结晶纳米级TiO2粉末(具有约10nm的平均粒径)与水共混以制备浆料。然后将该浆料加入到硅酸钠和氢氧化钠的混合物中。选择试剂的摩尔比使得Ti/Si比为约10并且Na/Ti比为约1.5。水作为过量试剂存在，并且H2O/Ti摩尔比超过12。将该混合物均质化并装入高压釜中，在其中搅拌并在80℃至110℃的温度下加热一段约24小时的时间。将所得含有钛酸钠的浆料使用酸部分中和并且然后过滤并洗涤。将得到的滤饼在60℃下干燥，并在使用前在空气中平衡。用于制备催化剂组合物的钛酸盐的质量是基于在特定条件下干燥且平衡的基材的称量质量。没有对吸附在载体表面上的水进行调整。
通过向搅拌混合物时适于保持悬浮液的一定量的水中加入选定量的钛酸钠来制备催化剂组合物。向搅拌的浆料中加入含有贵金属盐的水溶液，并将所得混合物搅拌约1小时。计算溶解在溶液中的金属盐的量，使得在离子交换后，实现金属在钛酸盐上的希望的负载量。对于含有共金属的催化剂组合物的制备，将含有过渡金属盐的第二溶液加入到含有钛酸盐的浆料中，并将所得混合物搅拌至少另外一小时。对于含有两种或更多种金属的组合物，必需考虑最终催化剂组合物中每种金属的希望负载量，以便可以相应地调节所用金属盐的量。然后过滤含有离子交换的钛酸盐的悬浮液，用去离子水洗涤并干燥。将滤饼在环境条件下放置过夜干燥，或者可以将其置于60℃的强制空气对流烘箱中。当滤液明显无色时，认为离子交换已完成。对组合物进行一系列能量色散X射线光谱测量(EDX)，以证实金属在钛酸钠表面上的交换对于本文报道的组合物是定量的。各种样品的元素分析表明，当考虑残余的钠离子时，钛酸盐的阳离子交换容量CEC是在2与3之间。
通过将1.99g钛酸钠添加到75mL水中来制备含有5wt％Pd和10wt％Sn的催化剂组合物。搅拌混合物以产生悬浮液。向该悬浮液中加入0.272g Pd(NO3)2溶解于30mL去离子水中的溶液。将所得混合物搅拌约1小时，然后将含有溶解在30mL去离子水中的0.4517g的SnCl2·2H2O的溶液加入到搅拌的混合物中。然后将双金属混合物在环境温度下连续搅拌另外一小时，然后过滤可可色的悬浮液，用约200mL去离子水洗涤，并在环境条件下放置直至滤饼干燥。以这种方式制备的催化剂组合物在此称为CC1。
已经使用这些制备方法制备了一系列催化剂组合物，其包含Au、Pt-Zn、Pt-Sn、Pt-Pd-Sn、Pd、Pd-Sn、Pd-Zn和Pd-Zn-Sn。贵金属和共金属的量变化，并且铂负载量在3与5wt％之间变化，钯负载量在3与7wt％之间变化，锡含量在2与10wt％之间变化，锌含量在3与5wt％之间变化。探索了使用4wt％Au负载量的金组合物。尽管本文提供的组合物说明了使用包含负载在可离子交换的钛酸盐上的贵金属的催化剂的催化燃烧系统的益处，另外的组合和排列也是可能的。对比催化剂购自化学品供应商，其包含负载在Al2O3上的Pt。对比催化剂由具有1wt％Pt的深灰色3.2mm球粒组成。球粒的颜色表明催化剂已经被活化。对比催化剂称为对比1。
催化剂组合物典型地在使用前被活化，并且对于每种催化剂组合物，找到最佳活化条件。活化可以用于去除吸附在载体表面上的水；将其去除将使金属更好地暴露于反应。这种干燥步骤可以在任何合适的气氛中进行。活化过程可以用于分解沉积在催化剂表面上的金属盐。这种活化通常在初湿含浸之后使用，其中非金属物质在高温下被氧化并作为气体或蒸气被去除；在载体上留下金属。这种活化过程要求气体含有至少一些氧化剂，并且因此经常选择空气作为活化气体。活化可以用于促进不同金属物质横跨载体表面的表面扩散；一种可以导致金属之间的紧密电子相互作用的过程。用于促进这种相互作用的气氛典型地是空气以防止金属的还原，但是可以取决于催化剂的需要和金属的敏感性考虑其他气氛。活化还可以包括其中将金属暴露于含有还原气体的流中的还原步骤。在此类情况下，将活化用于至少部分地还原金属的氧化态。无论为每种催化剂组合物选择何种活化方法，所有情况下的目标都是使催化剂的活性最大化。在目前的工作中，每种催化剂组合物的活化过程是在测试前在潮湿空气中调节床之前进行的。
对于本发明的催化剂组合物，需要一系列活化条件以适应催化剂化学的差异。需要大于350℃的活化温度的样品在空气中在马弗炉中非原位活化。需要小于350℃的活化温度的催化剂在连接到测试系统时在空气中原位活化。对于在空气中加热至大于500℃的温度的铂催化剂组合物，将样品以2℃/min加热至希望温度，然后将样品等温保持至少15小时。对于金催化剂，使用250℃的活化温度，并使纯H2流通过催化剂，直到床外出口中的水浓度回到基线。对于钯催化剂化学，确定不高于150℃的活化温度是最佳的，因为超过150℃时催化剂活性显著降低。原位活化的催化剂组合物的加热速率为5℃/min。原位活化的样品典型地在等温条件下保持约1小时。所描述的活化条件代表所用的条件，并且不应以任何方式解释为限制。为了在与本发明催化剂相当的条件下研究对比催化剂，Pt-Al2O3催化剂(对比1)在测试前在250℃下在空气中原位活化。
构建用于测量催化剂活性的测试系统。测试系统能够递送具有不同组成和湿度的各种测试气体。设计测试台的方式允许独立调节干燥和潮湿测试气体的流速，以在床中在选定的测试温度下达到希望的RH。使用质谱仪(也称为残余气体分析仪)作为检测器，实现H2O、CO2、和C2H4的同时检测。测试气流中高浓度N2(m/z＝28)的存在干扰了痕量乙烯信号(m/z＝26)，并且因此，需要一系列测量(详见下一部分)来解决这种效果。在m/z＝44时记录CO2信号，而在m/z＝18时记录水信号。
制备所有催化剂组合物用于通过使用液压轴向压力机在具有5吨力的0.75"ID圆柱形钢模中压缩2g无粘合剂粉末进行测试。然后将得到的压缩盘压碎并筛分至20-40目。如果催化剂需要高温活化(>350℃)，则将20-40目的颗粒置于坩埚中并在马弗炉中非原位煅烧，否则原位活化颗粒。典型地，将约0.5g颗粒装入使用密封压缩配件连接到测试系统上的具有直线长度0.375"外径、0.305"内径的不锈钢管中。使用加湿空气调节活化的催化剂，直到如通过相对湿度传感器测量的排气流中的水分水平恒定在希望水平。在床在选定RH下调节或饱和时，将气体从空气转换为在空气中含有50ppmv乙烯的混合物的测试气体。将测试气体的总流速设定为至少200sccm，直到床出口处的乙烯信号(如通过质谱仪测量)为水平的。该条件确保床已经完全被乙烯饱和或者完成乙烯的“穿透”。随着乙烯穿透完成，通过床的总质量流速降低至测量流量(典型地25sccm)，并且保持该新流速直至床出口处的乙烯信号恒定。由质谱仪记录的信号值在稳定期间被平均，并且平均值被称为“信号”。在达到此恒定的乙烯信号后，将加湿的测试气体导入旁路回路，以便在催化剂不存在下可以测量乙烯信号强度。当通过旁路获得稳定的乙烯信号(“跨度”信号)时，流过旁路的气体转换为加湿的无乙烯空气，并收集m/z＝26处的信号，直到信号稳定(“零”值)。然后使用以下关系计算测试气体中乙烯的转化率：
转化率(％)＝(1-(信号-零)/(跨度-零))x 100
为了确定催化剂燃烧乙烯(而不是吸附或部分氧化分子)，测量反应产物。与乙烯的稀释(50ppmv)部分相比，测试气流中存在高水平的水蒸汽使得使用来自乙烯燃烧的水蒸汽用作催化燃烧的指示剂是不切实际的。然而，与CO2相关的信号可以用作催化燃烧的确定指标。图4中显示的数据涉及含有0.443g的20-40目样品催化剂组合物CC1颗粒的床。该床先前已在20℃和35％RH的空气中饱和。在实验中，改变测试气体的流速以改变气体与催化剂接触所花费的时间量。当通过催化燃烧从测试气体中去除乙烯时，在床的排气处测量的乙烯信号的强度降低。可以注意到，与乙烯相关的信号痕迹在200sccm的流速下最高。在该流速下相对低的转化程度是由于气体与催化剂接触所花费的时间量短。然而，在25sccm时，气流与催化剂之间延长的接触时间导致更高比例的乙烯被转化。虽然由于存在干扰气体和缺乏内标物而不可能量化信号，但乙烯数据和CO2数据的趋势在催化燃烧方面是决定性的。随着床产物流中乙烯的量减少，CO2水平同时增加。当CO2是乙烯与催化剂反应的直接产物而不是副产物时，这些趋势仅结合。
在水蒸汽存在下催化剂的稳定性对于在待处理气体含有可测量量的湿度的应用中保持催化剂性能是重要的。如果催化剂床没有用水蒸汽预调节或饱和，和/或如果催化剂性能在短运行时间内测量(即，相对于催化剂床中存在的贵金属的摩尔数，当相对较少摩尔的乙烯进入催化剂床时)，则可能产生人为的高转化率估计值。这些标准在低实验温度下特别重要，其中可以预期载体表面上的水冷凝干扰催化剂功能。图5中的曲线图涉及使用与图4中相同的CC1催化剂床的实验。床再次在20℃和35％RH的空气中饱和，然后将催化剂暴露于50ppmv乙烯在空气中的加湿的流中。使样品在20℃和35％RH下经受200sccm的测试气体流超过16小时。然后在约16.5小时后通过将流量降低至25sscm来评估催化剂活性。乙烯信号的第一阶跃变化与这种变化有关。信号的减少代表在较低流速下去除的较大部分乙烯。一旦达到稳定的乙烯信号(“信号”值)，将加湿的测试气体流动(以25sccm)引导至旁路，以便可以在催化剂不存在下测量乙烯信号。图中的第二阶跃变化与此变化有关。通过旁路获得适当稳定的信号(“跨度”值)，将测试气体从测试气体切换到不含乙烯的空气，并使信号衰减到基线(“零”值)。乙烯信号的第三阶跃变化与这种变化有关。信号与跨度水平之间的明显差异表明催化剂在暴露于显著量的潮湿乙烯后保持高转化程度。
在16.5小时暴露期间通过床的乙烯摩尔数表示与床中存在的钯摩尔数相比的2.7的摩尔化学计量比。这种调节确保任何潜在的失活机制都有充分的机会显现，并且在这种条件下测量的催化剂活性应该代表催化剂的稳态性能。在湿度存在下的这种优异的催化稳定性允许在较短的运行时间(TOS)下可靠地评估催化剂的活性。将TOS定义为在进行跨度和零测量之前催化剂暴露于希望的测试气体流速(例如，25sccm)的时间长度。认为当床的排气中的乙烯信号保持30分钟不变时，床中的条件被认为代表稳态。对于一些催化剂组合物，使用较短的平衡时间，并且因此，一些较大程度的不确定性可能与那些计算的转化值相关。应该理解的是，通过首先预调节床以确保在测量催化剂活性之前床用水和乙烯二者饱和，大大提高了本文提出的转化值的有效性。
催化剂组合物在一定湿度范围内的性能与其中不能降低空气湿度或将水蒸汽注入空气以保持高相对湿度的应用相关。图6显示了CC1催化剂组合物在20℃下在一定范围的相对湿度内的性能。对于每个数据点，床进行相同的预调节程序，包括先前概述的湿度和乙烯穿透，并且实验从低RH到高RH依次进行。注意到湿度对催化剂活性的影响，即使在接近饱和的蒸汽条件下，催化剂仍保持其在较低RH下显示的活性的可测量部分。
制备额外的催化剂组合物，并将催化剂组合物(CC)编号给予每种独特的组合物。表1以钛酸盐上负载的金属及其绝对重量分数二者指示催化剂组合物。获得由负载在氧化铝上的铂构成的现有技术催化剂，并命名为对比1。在表2中连同对比Pt-Al2O3催化剂的结果一起提供了各种催化剂的测试结果。表中提供了测试中使用的颗粒样品质量、以及该样品的活化温度。应该注意的是，对于如此命名的每种独特催化剂组合物(CC)，活化和测试条件可以变化，并且因此这些条件列于表2中。在一些情况下，相同的催化剂样品用于许多测试，而对于其他组合物，催化剂床可以仅使用一次。指定测试气体的流速，这样通过用于转化率测量的床的乙烯的质量流量是已知的。该表还指定了测试顺序的运行时间或TOS。TOS是近似数字，并且主要用于区分较短持续时间的测试与较长持续时间的测试。在已经用水蒸汽和乙烯预饱和的床上进行的较长持续时间测试提供了稳定的催化燃烧活性的强烈指示。对于表中的每个测试，还报告测试的相对湿度。附有星号的RH值表示该测试的气流达到20℃的指定湿度水平，并且因此，对于高于20℃的温度，床中的有效RH将低于表中指出的RH。所报告的没有星号的RH值是绝对的，并且推断随着测试温度的改变，床中的RH保持恒定。将催化剂的性能或活性报告为乙烯转化的分数；取决于测试温度在单独的列中报告的值。通常希望每摩尔贵金属更高的乙烯转化率值。
表1.催化剂组合物编号和相关的金属组成
催化剂组合物编号 金属组成
CC1 5％Pd 10％Sn
CC2 3％Pd 5％Sn
CC3 3％Pd 5％Zn
CC4 5％Pd 6％Zn
CC5 7％Pd 5％Zn
CC6 5％Pd 3％Zn 5％Sn
CC7 4％Pd
CC8 4％Au
CC9 3％Pt 2％Sn
CC10 3％Pt 3％Zn
CC11 5％Pt 1％Sn
CC12 2％Pt 2％Pd 2％Sn
对比1 1％Pt-Al2O3
表2中的数据表明，钯基催化剂可以不需要活化，因为它们在离子交换后直接在20℃下有活性。据信这种观察在燃烧催化领域是前所未有的。用钯催化剂观察内在活性与铂配制品形成对比，这些铂配制品强烈受益于大于500℃的活化温度。共金属的存在似乎是有利的，因为与纯钯组合物相比，含有锡、锌或两者的混合物的钯配制品在较低温度和较高RH下均显示出较高的转化程度。钛酸盐上的贵金属和共金属的绝对和相对量似乎影响双金属钯和铂组合物的催化剂性能。具有较高贵金属负载量的组合物能够转化更多的乙烯，尽管这种效应因同时存在的共金属量的增加而混乱。在湿度存在下，特别是高于35％RH，与铂组合物相比，钯组合物在较低温度下显示出较高的活性，而在较高温度下，与钯配制品相比，铂基催化剂显示出更高的每摩尔金属反应性。负载金的钛酸盐催化剂表现出在从高温至低到低达20℃的潮湿流中保持燃烧活性的能力。如包含Pt、Pd和Sn的催化剂所指出的，含有贵金属混合物的催化剂可能是有利的，这些催化剂对高温活化显示出积极响应，但在低达20℃的温度下也保持可测量的催化剂活性。与含有铂的所有本发明催化剂(除了未见活化的CC11样品之外)相比，对比催化剂(对比1)虽然在150℃下明显有活性，但在高温下仅显示出一部分活性。
表2.作为组成、温度和湿度的函数的本发明和对比催化剂组合物的乙烯转化率
一些钯催化剂组合物显示乙烯转化率值，出乎意料地，当测试温度降低至低于20℃时，这些乙烯转化率值不显示阿仑尼乌斯行为。这种行为缺乏明显的解释，但仍然是有利的，因为它推断催化剂活性可以在一系列冷藏温度下保持，而没有在此改变下通常预期的后果性活性损失。
表2中提供的结果证明了钛酸盐基燃烧催化剂组合物的能力范围。通过选择贵金属、任选的共金属并开发适当的活化条件，可以调节催化剂组合物以在高温或低温并且在较低或较高的湿度下起作用。与现有技术的催化剂相比，本发明的一些催化剂组合物在高温下在完全加湿的气体下显著更有活性，而其他催化剂组合物在冷藏温度下并且在接近饱和的湿度下显示出前所未有的活性。本发明的燃烧催化剂的多功能性允许它们解决需要从空气中去除痕量VOC污染物的应用的最大排列。
在本说明书中提及的所有以上美国专利、美国专利申请、国外专利、国外专利申请以及非专利公开物以其全文通过引用结合在此。
虽然已经示出并且描述了本发明的具体要素、实施例和应用，当然将理解的是，本发明并不限于此，因为在不偏离本披露的精神和范围的情况下，特别是根据前述传授内容，本领域的普通技术人员可以做出多种修改。此类修改被认为是在所附权利要求书的权限和范围内。例如，干燥剂耦合催化燃烧和用于进行干燥剂耦合催化燃烧的系统通常可以用于除了本文具体讨论的那些之外的其他合适的催化应用(例如在光催化燃烧应用中)和/或其他催化剂和/或催化剂组合物。

Claims (36)

1.一种用于催化燃烧气态物质的方法，该方法包括：
获得包含负载在可离子交换的碱金属钛酸盐基材上的一定量的贵金属的燃烧催化剂组合物；并且
在含氧气体和水蒸汽存在下、在低于200℃的催化温度下并且在高于0.5％的相对湿度下将该物质暴露于该燃烧催化剂组合物，其中该物质在该燃烧催化剂组合物处与氧气一起燃烧。
2.如权利要求1所述的方法，其中该获得燃烧催化剂组合物的步骤包括：
获得可离子交换的碱金属钛酸盐；并且
将该碱金属钛酸盐与该量的该贵金属进行离子交换。
3.如权利要求1所述的方法，其中该气态物质是不饱和烃、醛或一氧化碳。
4.如权利要求3所述的方法，其中该气态物质是乙烯、甲醛或一氧化碳。
5.如权利要求4所述的方法，其中该气态物质包含乙烯。
6.如权利要求2所述的方法，包括通过水热处理包含碱金属氢氧化物和二氧化钛源的混合物制备该碱金属钛酸盐。
7.如权利要求6所述的方法，其中该碱金属钛酸盐是钛酸钠。
8.如权利要求6所述的方法，其中该碱金属钛酸盐具有大于2meq/g的离子交换容量。
9.如权利要求1所述的方法，其中该贵金属选自由铂、钯、金和银组成的组。
10.如权利要求2所述的方法，其中该贵金属选自由铂、钯、金和银组成的组，并且该方法包括将该碱金属钛酸盐与一定量的附加贵金属进行离子交换。
11.如权利要求2所述的方法，其中该贵金属选自由铂、钯、金和银组成的组，并且该方法包括将该碱金属钛酸盐与一定量的附加过渡金属进行离子交换。
12.如权利要求11所述的方法，其中该附加过渡金属是锌、锡或钴。
13.如权利要求9所述的方法，其中该燃烧催化剂组合物包含Pt、Pt-Zn、Pt-Sn、Au、Pt-Pd-Sn、Pd、Pd-Zn、Pd-Sn、或Pd-Zn-Sn。
14.如权利要求9所述的方法，其中贵金属的量高达该燃烧催化剂组合物重量的7％。
15.如权利要求11所述的方法，其中该燃烧催化剂中附加过渡金属的量高达该燃烧催化剂组合物重量的10％。
16.如权利要求5所述的方法，其中乙烯物质的浓度小于按体积计2.7％。
17.如权利要求16所述的方法，其中乙烯物质的浓度小于1000ppmv。
18.如权利要求17所述的方法，其中乙烯物质的浓度小于约50ppmv。
19.如权利要求1所述的方法，其中该含氧气体是空气。
20.如权利要求1所述的方法，包括在低于100℃的催化温度下暴露该物质。
21.如权利要求20所述的方法，包括在低于30℃的催化温度下暴露该物质。
22.如权利要求1所述的方法，包括在高于5％RH的相对湿度下暴露该物质。
23.如权利要求22所述的方法，包括在高于约35％RH的相对湿度下暴露该物质。
24.如权利要求23所述的方法，包括在高于约90％RH的相对湿度下暴露该物质。
25.如权利要求1所述的方法，包括：
在该获得步骤之后，在高于350℃的温度下活化该燃烧催化剂组合物。
26.如权利要求1所述的方法，包括：
在该获得步骤之后，在低于150℃的温度下活化该燃烧催化剂组合物。
27.如权利要求1所述的方法，其中该燃烧催化剂组合物在水蒸汽存在下将该物质暴露于该燃烧催化剂组合物时保持基本稳定。
28.一种用于进行气态物质的催化燃烧的方法，该方法包括干燥剂耦合催化燃烧。
29.如权利要求28所述的方法，其中该催化燃烧是光催化燃烧。
30.如权利要求1所述的方法，包括使用干燥剂耦合催化燃烧系统将该物质暴露于该燃烧催化剂组合物。
31.一种干燥剂耦合催化燃烧系统，其包含第一干燥剂量、催化剂组合物、第二干燥剂量、进料流的入口、通向大气的出口、以及流体硬件，该流体硬件被配置成交替地将该进料流引入该入口、通过该第一干燥剂量、通过该催化剂组合物、通过该第二干燥剂量、并且离开该出口，或者进入该入口、通过该第二干燥剂量、通过该催化剂组合物、通过该第一干燥剂量、并且离开该出口。
32.如权利要求31所述的干燥剂耦合催化燃烧系统，其中该催化剂组合物是包含负载在可离子交换的碱金属钛酸盐基材上的一定量的贵金属的燃烧催化剂组合物。
33.如权利要求31所述的干燥剂耦合催化燃烧系统，包含：
具有两个末端的填充床，其包含：
第一干燥剂层，其包含在该填充床的第一末端处的第一干燥剂量；
第二干燥剂层，其包含在该填充床的第二末端处的第二干燥剂量；以及
催化剂组合物层，其包含在该第一与第二干燥剂层之间的催化剂组合物；
第一切换阀，其连接到该填充床的第一末端并且可切换，使得该填充床的第一末端连接到进料流的入口或连接到通向大气的出口；以及
第二切换阀，其连接到该填充床的第二末端并且可切换，使得该填充床的第二末端连接到进料流的入口或连接到通向大气的出口。
34.如权利要求33所述的干燥剂耦合催化燃烧系统，其中该第一干燥剂量和该第二干燥剂量包括相同的材料。
35.如权利要求31所述的干燥剂耦合催化燃烧系统，包括：
壳体，其包括进料口和排气口，其中该进料口和该排气口分别是该进料流的入口和通向大气的出口；
该壳体内的结构化床，其包括：
干燥剂侧，其包含在该结构化床的第一侧上的该第一干燥剂量和该第二干燥剂量二者；以及
催化剂组合物侧，其包含在该结构化床的第二侧上的该催化剂组合物，其中：
该结构化床可绕轴线旋转；
该结构化床的干燥剂侧面向该进料口和该排气口；并且
该结构化床的周长密封且滑动地接合到该壳体的内部上；
第一挡板，其密封且滑动地接合到该结构化床的干燥剂侧上并且其密封地接合到该壳体上，以便将该干燥剂侧分成连接到该进料口上的段和连接到该排气口上的段，并且以便将该进料口侧段与该排气口段分开；
位于该第一挡板对面的第二挡板，该第二挡板密封且滑动地接合到该结构化床的催化剂组合物侧上并且其密封地接合到该壳体上，以便将该催化剂组合物侧分成对应于这些干燥剂侧段的段，并且以便将这些相应的段分开，除了靠近与该催化剂组合物侧相对的壳体末端之外；以及
用于旋转该结构化床的电动机。
36.如权利要求35所述的干燥剂耦合催化燃烧系统，其中该结构化床是轮形的。
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