稀土材料在挥发性有机废气降解中的应用及发展趋势

稀土材料在挥发性有机废气降解中的应用及发展趋势

赵秀颖 1 赵峰伟 2

1. 淄博市生态环境局博山分局 山东省淄博市 255200

2. 2.淄博市张店区建设工程质量监督服务中心

摘要：伴随环境污染问题的越发严重，世界各国开始广泛重视大气污染的防控工作，并为此展开了大量化、深入性研究，得到了许多实用性突出的解决策略，而稀土材料凭借其含有的大量表面羟基、高温稳定性及强挥发性有机物亲和性等优点，在防控带大气污染中，得到广泛应用。本文结合当前实况，就其在挥发性有机废气降解中的具体应用进展及发展趋势作一探讨。

关键词：稀土材料；有机废气；挥发性；降解

挥发性有机污染物实际就是在大气光化学反应当中发挥关键作用的有机化合物，其有着多种类型，如含硫类有机物、含氧有机物、非甲烷烃类及含氮类有机物等。针对此些有机物而言，其能够利用光化学反应，生成大量的雾霾、二次有机气溶胶及臭氧等，因而会对大气辐射平衡造成影响，进而影响气候，对人体具有致畸、致癌的作用。当前，治疗在挥发性有机污染物的技术主要有两种，其一为末端治理技术，其二是源头过程控制技术。对于工业源排放挥发性有机污染物而言，其具有组分复杂、浓度波动大及排放强度大且比较分散等特点，受限于资源环境及企业经济水平，末端治理技术仍难以被替代。挥发性有机污染物末端处理技术主要有生物降解、力氧化、吸附及吸收等，当前，主流技术有氧化技术、吸附技术等。稀土材料能够对吸附材料的挥发性有机污染物的再生性、吸附性能予以改善，因而适用于挥发性有机废气降解，本文就此技术的应用进展及其发展趋势探讨如下。

1.稀土基催化材料的应用及发展趋势

在挥发性有机污染物净化领域当中，有关将稀土催化剂应用其中的研究，其热点主要有三方面：其一，高稳定性、高选择性以及高活性的环境友好型稀土催化剂的设计与开发；其二，将稀土元素当作基础性的催化剂活性组分，或者是作为助剂，其对于催化剂选择性、活性、稳定性所起到的贡献机制；其三，研究稀土催化剂表面吸附、活化、转化中挥发性有机污染物的过程机理。

现阶段，在挥发性有机污染物净化领域中，应用比较多的稀土催化剂为CeO₂，其有着比较敏感的结构，且无论是催化活性，还是氧空位的提供，均对暴露的晶面有较大依赖性，因此，许多报道采用能够控制形貌的制备方法，把CeO₂以一种合理、恰当的方式制备成纳米材料（拥有特殊暴露晶面）。由报道指出，通常拥有特殊暴露晶面CeO₂所对应的催化氧化VOCs的完全转化温度，较之传统体相CeO₂，要明显偏低（通常会低40~60℃）。针对贵金属催化剂来讲，通常具有的特点为高活性、广谱性等，但是其较高的成本成为限制其应用的重要因素。还需要指出的是，贵金属催化剂对废气当中的多种组分（比如S、Cl、P等）均比较敏感，此些组分可能造成催化剂发生各种情况，比如失活、钝化及团聚等。所以，针对贵金属催化剂来分析，其一，需要在性能指标得到保障的情况下，将贵金属用量适当减少，以此促进其比活性的提高，进而达到降低成本的目的；其二，在现实使用条件下，提高贵金属催化剂在耐各种组分方面的能力，比如Cl、P等。所以，有学者把能够控制形貌的CeO₂结合于诸如Au、Ag、Pt等贵金属，借助CeO₂所具有的高活性晶面与贵金属原子间的强相互作用力，来确保贵金属价态的高稳定性，从而达到提高催化剂稳定性的目的。

稀土元素多达17种，而现阶段已经在挥发性有机污染物净化中得到应用的是诸如Pr、Ce、La等轻稀土元素，而针对中、重稀土元素，仍需深入研究与开发。需强调的是，因现实工况的污染物浓度、组分较实验条件更为复杂，所以，积极找寻低起燃温度、宽温度窗口以及长寿命的多组分复合与多功能集成的稀土催化剂，已经成为今后稀土催化在净化工业有机废气的重要研究方向，这需要深入了解多组分或者但组分挥发性有机污染物在催化剂表面的反应机理及吸附特性。伴随原位光谱表征技术的持续推新，诸如原位拉曼光谱、原位红外光谱等在催化反应机理领域的研究日益加深，这为净化工业有机废气中稀土催化剂的更好应用，奠定了坚实根基。

2.稀土基吸附材料的应用及发展趋势

针对稀土金属而言，其无论是在内含离子数上，还是在氧化能力、选择性上，均有显著优势。比如加入稀土后，能够实现催化剂对P、S等组分相应耐受力的增强，预防可能发生的催化剂中毒；此外，如果将其掺入到吸附剂当中，那么有助于活性组分分散度的增强，当其与活性组分之间形成协同作用时，会促进吸附剂可选择性与稳定性的更大程度提升。

需指出的是，诸如聚丙烯酰胺、石墨烯、活性炭及分子筛等，均为我国比较常用的吸附材料，比如：（1）分子筛所对应的比表面积通常为500~800m²/g，大多数孔结构是微孔，有着比较小的孔径，并且分布比较均匀，在分子筛表面复合La、Lr、Ce等稀土金属离子，能够吸附或去除甲基乙基酮、苯系物等污染物；（2）石墨烯氧化物与稀土材料相复合，因表面积达到了3502m

²/g，且孔隙体积也达到了1.7cm3/g，另外，还吸入了石墨烯氧化物（原子密集排列），因而会形成强大色散力等，其在对无机污染物、有毒废物（H₂S、NH₃等）等方面，吸附性能好。有报道指出，石墨烯复合稀土材料能够对正己烷、丙酮进行成功吸附，其对于丙酮所具有的吸附量，较之纯MOF，要高出10倍，而对于正己烷所具有的吸附量，较之纯MOF，则高出2倍。（3）碳硅复合稀土材料因扩散路径daunt、亲和力强、碳分化性强及传质阻力弱，因而在具体的吸附性能上，较母体材料好。总之，向吸附材料中加入稀土元素，能够显著增加其吸附量、比表面积等，有助于挥发性有机废气吸附性能的提升。需要指出的是，伴随我国稀土资源的不断开发与利用，稀土材料在降解挥发性有机废气中的作用优势越发凸显；伴随材料科学、纳米技术等的日渐成熟，稀土材料的吸附性能将会被持续开发，并被广泛应用在其它环境防治、工业生产当中。

3.结语

综上，当前的挥发性有机污染物处理技术日渐多样化，其中吸附与燃烧成为比较常用的工艺，尤其是稀土基催化材料、稀土基吸附材料等开发与利用，其在挥发性有机废气降解当中的作用越发凸显，未来应用前景广阔。

参考文献：

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作者简介：赵秀颖（1976-05），女，汉族，籍贯：山东青州，当前职务：科员，当前职称：助理工程师，学历：大学，研究方向：环境工程