当前课程知识点：大气污染控制工程 > 第七章 气态污染物控制技术基础（选修） > 7-7 催化原理 > Video
同学们好，今天我们学习气体的催化净化的原理
气体催化净化是指借助催化剂的催化作用
使气态污染物在催化剂表面发生化学反应
而转化为无害或易于处理的物质的净化方法
和吸收或吸附不同
催化净化无需使污染物与气相主流分离
能避免其他方法所产生的二次污染，并使操作过程简化
催化净化方法对不同浓度污染物都有较高的转化率
目前已经广泛用于：
工业尾气和烟气去除SO2和NOx
有机挥发性气体VOCs和臭气的催化燃烧净化
汽车尾气的催化净化等领域
那么什么是催化作用呢
催化作用是指催化剂在化学反应过程中
所起的加快化学反应速率的作用
我们以A与B反应生成AB的反应来进行说明
在没有催化剂存在时，该反应的活化能为Ea0
有催化剂K存在时，A先与K反应生成AK
再与B反应生成AB，催化剂K在反应前后不发生变化
但是由于催化剂的存在，反应净活化能由Ea0降低到了Ea
而活化能的大小直接影响到反应速率的快慢
他们之间的关系可以用阿累尼乌斯方程表示
即反应速率常数随活化能的降低呈指数增加
显然，催化剂的存在改变了化学反应路径
降低了活化能，从而提高了反应速率
需要注意的是，物质与物质之间能否进行化学反应
及反应进行到多大程度，也就是转化率有多大
完全是由参加反应的物质的本性决定的
不管催化剂的活性有多大
也不可能使在一定条件下热力学上不可能发生的化学反应进行下去
即催化剂不能改变自由能
由于反应体系的自由能与化学反应的平衡常数有关
因此催化剂也不会影响和改变平衡常数
也就是不能改变化学反应所能达到的平衡状态
对于可逆反应而言
平衡常数等于正、逆反应速度常数之比
由于催化剂对正逆反应速度的影响是相同的
因此正、逆化学反应速度常数的比值不变
平衡常数也不变
和普通的化学反应相比，催化反应有很多优点
首先是对不同浓度的污染物具有很高转化率
对浓度的适应范围大
这有别于吸收或吸附主要适用于低浓度的情况
其次催化剂本身在反应前后不发生变化
催化剂能够反复利用，其消耗主要是磨损等物理消耗
所以一般情况下催化剂的用量很少
第三是催化剂对化学反应有较好的选择性
这个特征有助于我们开发针对特定污染物的催化剂
最后是污染物和主气流不需要分离
避免了二次污染的问题
催化净化的缺点主要是催化剂较贵
且需要在较高的特定温度操作，废气很可能需要再预热
催化的关键是催化剂
催化剂是指加速化学反应
而本身的化学组成在反应前后保持不变的物质
其存在状态有气态、液体或固态
气态污染净化用催化剂通常是固体催化剂
催化剂有不同的形状
大家现在看到的就是一个蜂窝状催化剂
我今天还带了颗粒状的催化剂，以及柱状的催化剂
还有这个颗粒状的活性炭
我们可以看出，它们都具有很发达的孔隙结构
催化剂通常由活性组分、载体和助催化剂组成
活性组分是催化剂中能加快化学反应速率的主要成分
是催化剂的核心，因此可以单独作为催化剂来使用
催化剂活性成分主要是一些贵金属或者稀土类氧化物
比较昂贵
大家也在研究采用普通金属氧化物如氧化铜等作为活性物质
有时还会加入一些助催化剂
这些成分能改善催化剂的热稳定性、化学稳定性等性能
但本身不起催化作用
活性组分和助催化剂都需要承载在载体上
载体是惰性组份，不参加化学反应
但可以起到增加催化剂的比表面积、节约活性组分
加强传热、提高稳定性和机械强度
以及延长催化剂寿命等作用
常用的载体有活性炭和分子筛
大家现在看到的是一个汽车尾气催化转化剂
其载体是金属蜂窝结构
载体表面分布着活性组分和助催化剂
这张图是就是我们在电镜下看到的催化剂表面
催化剂的性能通常有三个衡量指标
活性、选择性和稳定性
活性是衡量催化剂效能大小的指标
是指在单位体积或质量催化剂在一定条件下
单位时间内所得的产品量
在工程上经常用转化率来表示催化剂的活性
转化率是指反应物通过催化剂床层后消耗量
和进入反应器的反应物总量之比
相关的参数是容易测定出来的
所谓催化剂的选择性
是指当化学反应在热力学上有几个反应方向的时候
一种催化剂在一定条件下只对其中一个反应起加速作用的特性
我们以一氧化碳和氢气的反应为例
目标产物是甲烷和甲醇时，催化剂和反应条件都不相同
一般用出口处目标产物浓度除以
在入口和出口污染物浓度的差值来衡量催化剂的选择性
活性和选择性是催化剂本身最基本的性能指标
是选择和控制反应参数的基本依据
提高活性主要是提高产品的产量
而选择性则是提高原料的利用率
催化剂稳定性
就是催化剂在化学反应过程中，保持活性的能力
催化剂的稳定性包括热稳定性
机械稳定性和化学稳定性三个方面
催化剂稳定性经常用使用寿命来表征
一般工业用催化剂寿命通常需要达到两万小时
催化剂老化和催化剂中毒是影响催化剂寿命的重要因素
其中老化是指在正常工作条件下逐渐失去活性的过程
这种失活是由低熔点活性组分的流失
催化剂的烧结、低温表面积炭结焦
内部杂质向表面的迁移和冷热应力交替作用
所造成的机械性粉碎等等因素所引起的
对大多数催化反应来说
HCN、CO、H2S、S、As、Pb等都是较强的毒物
所以选择催化剂时，除了考虑催化剂的活性
选择性、热稳定性和一定的机械强度之外
还应尽量使其具有广泛的抗毒性能
有关催化剂的内容我们就介绍到这里
欢迎大家继续学习
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-2 颗粒物的形貌特征
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