2 Адсорбционно-каталитическая очист- ка промышленных выбросов

Очистка больших потоков газовых выбросов является, как правило, сложным комплексным процессом, сопровождающимся химическими превращениями и массообменом. После фильтрации и пылеудаления в газовом потоке могут содержаться токсичные газообразные примеси. Для удаления последних рекомендуют использовать термические или адсорбционные методы. Термические (огневые и каталитические) методы недостаточно экологически эффективны, особенно для потоков, не содержащих в своем составе компонентов с высокой теплотворной способностью. Малоэффективны такие процессы и для низкоконцентрированных вентиляционных выбросов. Проточные каталитические системы оправдывают себя в сравнительно крупных производствах с постоянным во времени потоком отходящих газов и узким интервалом изменения концентрации токсичных примесей.

Перспективно использование методов адсорбционного поглощения и каталитического окисления в совмещенном варианте. Такие методы наиболее целесообразны для производств с небольшими по объему выбросами и непостоянным составом токсичных примесей. Совмещение двух процессов в одном аппарате: адсорбции токсичных веществ из отходящего потока и последующего гетерогенного каталитического окисления адсорбированных токсичных веществ – позволяет значительно упростить процесс очистки отходящих потоков.

2.1 Физико-химические основы адсорбционно-катали- тической очистки газовых сред

К адсорбентам-катализаторам, наряду с общими требованиями к каталитическим системам, предъявляют ряд дополнительных требований: необходима сравнительно большая адсорбционная емкость по токсичным примесям, высокие термическая стабильность и каталитическая активность. В наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют катализаторы на носителях. Носитель одновременно выполняет функцию адсорбента. Он пропитывается раствором соли, содержащей необходимый для каталитического окисления металл. Чаще всего применяют соли, анионы которых легко удаляются при термической обработке – ацетаты, нитраты. Обычно носители изготавливают из оксидов алюминия, алюмосиликатов, соединений кальция, циркония. Применяют адсорбенты-катализаторы в виде таблеток, гранул неправильной формы. Гранулированные носители должны иметь удельную поверхность не менее 200 м²/г. Характеристики носителя должны сохраняться при длительном использовании и нагреве в окислительных и восстановительных средах до 400..600 ⁰С.

Активные компоненты для приготовления адсорбентов-катализаторов, используемых для очистки отходящих газов можно разделить на три группы: благородные металлы, сплавы и оксидные системы. Используемые катализаторы и технология глубокого окисления должны обеспечивать практически полное превращение окисляемого компонента в диоксид углерода, воду, азот и исключать образование токсичных продуктов неполного окисления.

Наиболее важным параметром каждого адсорбента-катализатора, наряду с адсорбционной емкостью, является каталитическая активность, т.е. способность инициировать и ускорять химический процесс полного окисления токсичных примесей. Каталитическую активность характеризуют величиной А_к:

, (2.1)

где K и K_к – константы скорости обычной химической реакции и каталитического процесса. Часто сравнение проводят по величинам степеней превращения примесей.

Д

Рис. 2.1. Зависимость степени превращения реагентов () на поверхности адсор- бента-катализатора от температуры (Т) реакции для различных катализа- торов-адсорбентов (1, 2, 3)

ля сопоставления различных катализаторов и оценки изменения их эффективности в процессе работы обычно используют зависимость степени превращения примеси от температуры (рис.2.1.) или значения температуры Т_х, при которой достигается заданная степень превращения α_х. Чем больше зависимость сдвинута в область низких температур, тем эффективнее протекают каталитические процессы в более мягких условиях.

Платиновые катализаторы способны работать и в восстановительных, и в окислительных средах, что важно при глубоком окислении примесей. Степень окисления на платиновых катализаторах достигает 98%. При 210..240 ⁰С глубокое окисление органических веществ достигается и на железохромовых катализаторах. Вследствие низкой стоимости по сравнению с платиноидами, в процессах дожигания токсичных примесей часто применяют никель, медь, хром.

При относительно низких температурах скорость процессов на катализаторах в определяющей степени зависит от концентрации реагирующих компонентов. В первом приближении кинетика окисления, например, оксида углерода в обезвреживаемых газовых выбросах может быть описана следующими уравнениями:

на оксидных катализаторах

; (2.2)

на платиновых катализаторах при глубоком окислении

. (2.3)

Константы K₁ и K₂ зависят, в первую очередь, от природы катализатора. Скорость окисления углеводородов описывается уравнением:

. (2.4)

Реакционная способность углеводородов к глубокому каталитическому окислению зависит от строения углеводородов. Лимитирующей стадией является разрыв связей С-Н в предельных и связей С=С в непредельных углеводородах. Продукты глубокого окисления СО₂ и Н₂О могут образовываться через нестабильные промежуточные соединения.