CN115417941B - 一种适用于大气环境中臭氧分解的催化剂及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于大气环境中臭氧分解的催化剂及其应用，所述催化剂的制备方法包括如下步骤：将偶氮二异丁腈、双甲基丙烯酸乙二醇酯、甲苯以一定比例混合，在隔绝氧气和60~70℃温度下发生沉淀聚合反应，反应时间为5~20h；反应结束后，通过真空抽滤除去大部分有机溶液，所得聚合物固体转移到真空干燥箱中烘干得到催化剂。本发明提供的催化剂制备工艺简便、制备成本低，可将大气中的臭氧分解，避免环境中的臭氧浓度过高对人体产生危害。
Description
技术领域
本发明涉及大气污染控制技术领域，特别涉及一种适用于大气环境中臭氧分解的催化剂及其应用。
背景技术
近年来，随着社会城市化进程的不断推进，在社会经济飞速发展以及工业规模不断增大的趋势下，人们所面临的环境问题日益严峻。其中由光化学反应而产生的区域性臭氧污染已成为我国的重要环境问题，臭氧也是继PM2.5后对人类活动造成较大危害的物质。煤炭燃烧、尾气排放、石油化工、化学溶剂等人类活动产生了大量的氮氧化物和挥发性有机物，当被太阳照射后，就会发生一系列的光化学反应生成臭氧。环境空气中的臭氧会进入人体，侵害呼吸系统、免疫系统、神经系统等。研究数据显示，在臭氧浓度为200 μg/m3时，对眼、鼻、喉有刺激的感觉；浓度为1300 μg/m3时，肺气泡气体扩散能力将显著下降；当浓度为2000-4000 μg/m3时，呼吸1-2小时后，能使肺细胞蛋白质发生变化，眼睛和呼吸器官有急性灼烧感，并且中枢神经发生障碍，感到头痛。臭氧还会危害农作物，腐蚀各种金属，对人类的生产生活造成巨大的危害。因此，研究臭氧的消除对于保护人体健康和维护生态环境具有重要的意义。
目前，传统臭氧去除技术主要分为吸收、热分解、辐射分解、吸附、催化等。但这些处理手段大部分存在效率低、能耗高、长效稳定性差等缺点，对复杂环境中高浓度的臭氧难以应付。催化剂具有高效、清洁、低成本、产率高、可重复利用等优点。目前分解臭氧的催化剂多为单金属负载型催化剂，常见的催化剂载体为硅藻土、分子筛、活性炭等。硅藻土资源缺乏，生产成本较高，化学稳定性不理想。分子筛催化剂的缺点是在低温条件下催化效果不佳，且抗水抗硫性能较差。活性炭重复利用几次后催化效能明显下降，需要频繁更换活性炭，成本相对增加。因此，筮需开发一种具有低成本、分解臭氧的催化剂。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适用于大气环境中臭氧分解的催化剂及其应用。本发明针对大气环境中臭氧的特点，研发了一种制备工艺简单、制备成本低廉的高分子有机聚合物催化剂，能够将大气环境中的臭氧分解。
本发明采用的技术方案如下：
一种适用于大气环境中臭氧分解的催化剂，所述催化剂的制备方法包括如下步骤：将偶氮二异丁腈、双甲基丙烯酸乙二醇酯、甲苯以一定比例混合，在隔绝氧气和60~70℃温度下发生沉淀聚合反应，反应时间为5~20h；反应结束后，通过真空抽滤除去大部分有机溶液，所得聚合物（即是聚双甲基丙烯酸乙二醇酯）固体转移到真空干燥箱中烘干得到催化剂。
进一步地，所述催化剂的制备中，反应温度为63~65℃，反应时间为10~12h。
进一步地，所述催化剂的制备中，偶氮二异丁腈、双甲基丙烯酸乙二醇酯、甲苯三者的投料比为1mg：30~80mL：500~1000mL，优选为1mg：50mL：800mL。
进一步地，所述催化剂的制备中，所述的真空干燥温度为80℃，干燥时间为20~30h。
所述的一种适用于大气环境中臭氧分解的催化剂在催化臭氧分解中的应用。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1）本发明得到的催化剂针对大气环境中的臭氧能够分解。
2）本发明采用沉淀聚合法在65℃合成高分子聚合物催化剂，催化剂制备工艺简单，能耗低、安全环保、适于工业化生产。
3）本发明得到的催化剂在常温常压进行分解，催化条件温和，安全、能耗低。
附图说明
图1a为实施例1制备的催化剂和Mn基催化剂分解臭氧的吸附柱出口处臭氧浓度随时间的变化关系对比效果；
图1b为根据图1a中结果计算的吸附柱出口处臭氧转化率随时间的变化关系对比效果；
图2a为实施例1制备的催化剂在不同臭氧浓度下的分解臭氧的吸附柱出口处臭氧浓度随时间的变化关系对比效果；
图2b为根据图2a中结果计算的吸附柱出口处臭氧转化率随时间的变化关系对比效果；
图3a为实施例4中验证的不同优化催化剂分解臭氧的吸附柱出口处臭氧浓度随时间的变化关系对比效果；
图3b为根据图3a中结果计算的吸附柱出口处臭氧转化率随时间的变化关系对比效果。
图4为实施例1制备的催化剂的氧空位分析图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1：催化剂的制备
（1）将偶氮二异丁腈、双甲基丙烯酸乙二醇酯、甲苯以1mg：50mL：800mL的体积比加入到玻璃反应器中。对溶液搅拌至偶氮二异丁腈固体完全溶解在双甲基丙烯酸乙二醇酯和甲苯中；
（2）向玻璃反应器中持续通入高纯氮排出内部空气，在瓶口用锡纸密封，使反应体系处于无氧环境；
（3）通过电热恒温水浴锅中使密封的玻璃反应器处于65℃的环境中，发生沉淀聚合反应，逐渐生成聚合物从溶液中析出，加热（反应）时间约为12 h；
（4）待反应完成后，将聚合物通过真空抽滤除去大部分有机溶液，然后在80℃下的真空干燥箱除去剩余的有机溶剂，干燥时间约为24 h，置于干燥器中待用。
实施例1制备的催化剂的氧空位分析图如图4所示，由图可知，催化剂上具有氧空位，为臭氧的分解提供了充足的活性位点，有利于对臭氧的吸附和分解。
实施例2：不同催化剂的动态吸附实验
对实施例1制备的催化剂和Mn基催化剂（即是二氧化锰催化剂）进行分解吸收臭氧实验，过程均如下：取200 mg催化剂样品放在内径为5 mm、外径为10 mm的耐高温不锈钢吸附柱中，吸附柱的两端采用50 mg石英棉填充。通过质量流量计配制1800mL/min、浓度为200ppb的臭氧标气（载气为高纯氮），在常温常压下通入至吸附柱中，进行臭氧动态分解实验。在吸附柱的出口用O3分析仪检测臭氧的出口浓度（通过监测吸附柱出口的臭氧浓度来分析臭氧分解的程度），根据吸附柱出口处臭氧浓度随时间的变化，绘制催化剂对臭氧的分解穿透曲线，并计算臭氧转化率，结果如图1a-图1b所示（图2a-图2b中相同的标识，表示相同的改变条件。例如图1a与图1b中两者的圆球标记曲线相对应，下面附图同样）。
由图1a-图1b可知，由二氧化锰催化剂分解臭氧，初期臭氧的出口浓度快速上升，在50 min时达到16.31 ppb，臭氧的转化率降至91.85％。在50 min后，臭氧的出口开始浓度上升缓慢，在1400 min时，臭氧的转化率为79.32％。实施例1制备的催化剂分解臭氧，在50min时臭氧的出口浓度仅为2.11 ppb，臭氧的转化率仍保持在98.95％。在1440 min内，臭氧的出口浓度始终在缓慢上升，在1400 min时仅为30.43 ppb，臭氧分解率为84.78％。
实施例3：不同浓度臭氧下的动态分解实验
对实施例1制备的催化剂进行分解吸收臭氧实验，过程如下：取200 mg催化剂样品放在内径为5 mm、外径为10 mm的耐高温不锈钢吸附柱中，吸附柱的两端采用50 mg石英棉填充。通过质量流量计配制1800 mL/min、浓度分别为200 ppb和500 ppb的臭氧标气（载气为高纯氮），在常温常压下通入至吸附柱中，进行臭氧动态分解实验。在吸附柱的出口用O3分析仪检测臭氧的出口浓度，根据吸附柱出口处臭氧浓度随时间的变化，绘制催化剂对臭氧的分解穿透曲线，并计算对臭氧的转化率的，结果如图2a-图2b所示。
由图2a-图2b可知，0-240min时，实施例1的催化剂在臭氧进口浓度为500 ppb时分解臭氧的能力强，臭氧分解率为100%。在240 min之后，分解臭氧的能力开始减弱，臭氧出口浓度缓慢增加，在500 min左右臭氧分解率和在臭氧进口浓度为200 ppb时持平，转化率为92.04%。在500 min之后，催化剂在500 ppb臭氧浓度下对臭氧的分解率呈快速下降趋势，在1440 min达到101.24 ppb，臭氧的分解率为49.38％。催化剂在臭氧浓度进口为200 ppb下，其臭氧的出口浓度保持缓慢上升，在1440 min臭氧出口浓度为31.08 ppb，臭氧的分解率为84.46％。
实施例4：不同酸优化后的动态分解实验
取实施例1制备的催化剂，分别以1（g）：50（mL）的固液比与去离子水、2 mol/L的硝酸、2 mol/L的盐酸以及1 mol/L的硫酸混合，并均用磁力搅拌器混合，转速为800 r/min，搅拌时间为24 h。待搅拌完成后，对聚合物进行抽滤以去除滤液。将固体物质转移到真空干燥箱中，在80℃下真空干燥24 h至完全除去水分后，置于干燥器中待用。由此，获得四种优化后的催化剂。
需要说明的是，去离子水对催化剂的处理只是设置一个对照组，对于其催化臭氧的分解效率不起任何的作用。去离子水对催化剂的处理，实际上还是实施例1的催化剂，对应于图3a中“未优化”组的曲线结果。
对上述四种优化后的催化剂进行分解吸收臭氧实验，过程均如下：取200 mg催化剂样品放在内径为5 mm、外径为10 mm的耐高温不锈钢吸附柱中，吸附柱的两端采用50 mg石英棉填充。通过质量流量计配制1800 mL/min、浓度为200 ppb的臭氧标气（载气为高纯氮），在常温常压下通入至吸附柱中，进行臭氧动态分解实验。在吸附柱的出口用O3分析仪检测臭氧的出口浓度，根据吸附柱出口处臭氧浓度随时间的变化，绘制催化剂对臭氧的分解穿透曲线，并计算对臭氧的转化率，结果如图3a-3b所示。
由图3a-3b可知，经去离子水优化的催化剂对于臭氧的分解效果最优，在0~56分钟内，臭氧的出口浓度始终保持在0 ppb，臭氧分解率为100%。经硫酸优化后的催化剂对臭氧的分解效果最差，该样品的臭氧出口浓度在16分钟已达到81.33 ppb，臭氧的转化率为59.33％。16分钟后，臭氧的出口浓度逐渐变缓，在56分钟达到105 ppb，臭氧的转化率为47.5％。经硝酸优化的催化剂和经盐酸优化的催化剂效果较好，在开始阶段臭氧的出口浓度都急速上升，分别在8分钟和12分钟后，对臭氧的分解率分别是79.18％和84.44％。之后，臭氧的出口浓度上升趋势变缓，在56分钟时，臭氧分解率分别是65.96％和68.47％。因此可知，经去离子水优化的催化剂对于臭氧的分解效果最好。
本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式。
Claims (4)
1.一种适用于大气环境中臭氧分解的催化剂在催化臭氧分解中的应用，其特征在于所述催化剂的制备方法包括如下步骤：将偶氮二异丁腈、双甲基丙烯酸乙二醇酯、甲苯以一定比例混合，在隔绝氧气和60~70℃温度下发生沉淀聚合反应，反应时间为5~20h；反应结束后，通过真空抽滤除去大部分有机溶液，所得聚合物固体转移到真空干燥箱中烘干得到催化剂；所述催化剂的制备中，偶氮二异丁腈、双甲基丙烯酸乙二醇酯、甲苯三者的投料比为1mg：30~80mL：500~1000mL。
2.如权利要求1所述的一种适用于大气环境中臭氧分解的催化剂在催化臭氧分解中的应用，其特征在于所述催化剂的制备中，反应温度为63~65℃，反应时间为10~12h。
3.如权利要求1所述的一种适用于大气环境中臭氧分解的催化剂在催化臭氧分解中的应用，其特征在于所述催化剂的制备中，偶氮二异丁腈、双甲基丙烯酸乙二醇酯、甲苯三者的投料比为1mg：50mL：800mL。
4.如权利要求1所述的一种适用于大气环境中臭氧分解的催化剂在催化臭氧分解中的应用，其特征在于所述催化剂的制备中，所述的真空干燥温度为80℃，干燥时间为20~30h。
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| CN202211045304.0A CN115417941B (zh) | 2022-08-30 | 2022-08-30 | 一种适用于大气环境中臭氧分解的催化剂及其应用 |
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| CN115417941A CN115417941A (zh) | 2022-12-02 |
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| KR101787402B1 (ko) * | 2017-05-31 | 2017-10-18 | (주)비오티스엔텍 | 산업용 탈취기 |
| CN113083255A (zh) * | 2021-04-12 | 2021-07-09 | 浙江工业大学 | 一种适用于污泥厌氧消化沼气的氨气高效吸附分离剂 |
| CN114768884A (zh) * | 2022-05-05 | 2022-07-22 | 四川鸿鹏新材料有限公司 | 碳酸乙烯酯生产用固载化催化剂、制备方法及应用 |
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2022
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