基于固体催化剂在火山灰中的多相催化应用.doc

固体灰基催化剂在多相催化中的应用 王 固体废物、飞灰和底灰的产生来源于煤和生物质的燃烧，其中飞灰主要由各种各样的金属氧化物组成，具有较高的热稳定性。循环利用粉煤灰这种固体废弃物为其他工业应用提供了一个成本效益和环保的模式,显著降低其对环境的影响。一方面，由于粉煤灰主要成分铝矽酸盐的热稳定性，其通过注入的其他活性成分使粉煤灰可以在各种不同的反应中用作催化剂。另一方面，粉煤灰中的其他成分比如Fe2O3也作为一种活性成分使粉煤灰在许多反应中做催化剂。在本文中，粉煤灰理化性质及其在多相催化方面的应用使其作为催化剂载体或催化剂在各种催化反应中被采用。粉煤灰载体催化剂在H2生产、deSOX、deNOX、碳烃氧化和加氢裂化方面，都比商业上使用的催化剂好。作为一个催化剂本身,粉煤灰在气相挥发性有机化合物的氧化,水相氧化有机物,固体塑料热解和无溶剂有机合成方面的应用非常有效。 介绍 粉煤灰是煤、石油、生物质燃烧产生的固体废渣，世界各地的大量粉煤灰产生于电力发电厂。因为粉煤灰的产量很大和对环境的有害影响，所以粉煤灰的有效处理是一个世界上的大问题。据估计,世界上生产的粉煤灰在2003年约为430吨，并且在未来将继续增长。 目前采用的粉煤灰处理是倾倒入海中或垃圾填埋场。主要的环境问题是倾倒的粉煤灰可能使金属浸出和有机化合物及其迁移进入地下水或附近的地表水。此外，粉煤灰中的空气微粒也可以通过直接吸入影响人类健康。更重要的是，土地的使用和维护将导致一个长期的财政负担。因此近年来，粉煤灰的散装利用引起了人们的浓厚兴趣。 在过去的二十年里，粉煤灰作为增值产品的应用已经取得了很大成果。这些主要的应用包括建筑和建筑材料,如水泥(2 - 4)、(5 - 8)地质聚合物、陶瓷材料(9 - 12),土壤改良剂(13 - 15),沸石合成(15、16),对气体和水清洗的低成本吸附剂(15、17 - 20),核废物稳定化(21 - 23)材料回收(15,24 - 27)。除了建筑材料的应用之外，就没有其他的应用付诸于实践了。即使土木工程的应用赶不上粉煤灰的生产率，剩下大量的废弃物则倾倒在垃圾填埋场。据估计，世界上粉煤灰的循环利用仅仅是每年产生粉煤灰的25%。2003年，在澳大利亚，被利用的粉煤灰不足10%。与其他国家相比，澳大利亚是灰的利用率和利用价值最低的国家。因此，需要尽最大努力去探索粉煤灰新的应用方法。 众所周知，粉煤灰的只要成分是SiO2和Al2O3。在高温燃烧后，这些氧化物具有高度热稳定性，使粉煤灰成为很好的催化载体。此外，其他的微量金属氧化物成分比如Fe2O3, TiO2, CaO, MgO, K2O和 Na2O也都能用作有效的催化成分。对于许多催化体系，过渡金属氧化物是活跃的部分,碱金属或碱土金属氧化物是催化剂促进者。据推断,粉煤灰可以在许多催化反应用作催化剂和催化剂载体。同时指出粉煤灰还含有一些微量元素,如汞可能在粉煤灰利用时被释放,引起二次污染。一些调查发现粉煤灰中的汞含量0.007~0.64mg/kg取决于煤炭来源和燃烧条件(1),这是相当低的。此外,一些试验表明,粉煤灰浸出会释放少量的汞到空气或水中,并在一定条件下,从空气中吸收汞(28)。 在过去的几十年中,越来越多的研究已经对粉煤灰在多相催化方面的应用进行了探讨。在本文中，我们将会讨论粉煤灰的物理化学特性和它在各种反应中的应用以及在这些反应中粉煤灰可能存在的机械作用。 于一身的混合型材料。近来，有一份规格书就是基于氧化钙含量用于粉煤灰分选。根据混凝土矿物掺合料的标准ASTM C618，两类粉煤灰分别为F类和C类。C类粉煤灰氧化钙含量比正常多8%，通常来源于褐煤和次烟煤的燃烧。F类粉煤灰来源于烟煤和无烟煤燃烧，氧化钙含量少于8%。 在煤燃烧和粉煤灰收集过程中，颗粒悬浮在废气中，因此粉煤灰颗粒通常是球型状，大小范围0.5—100um。颗粒尺寸分布是粉煤灰的一个重要性质，越小的颗粒表面面积就越大。在粉煤灰的相互作用解决方式中，粒径分布是十分重要的。因为它影响颗粒表面任何微量元素的运动。之前的调查表明，粉煤灰的双峰离子的粒径分布有一个主要的峰值，低粒径在0.1—1μm之间和其他更高粒径在10—200μm之间。 　 一般来说，粉煤灰富含多类金属氧化物，譬如Al2O3, SiO2, Fe2O3, CaO, MgO, TiO2, Na2O, K2O。化学成分取决于煤的来源和燃烧条件。亚烟煤和褐煤的粉煤灰具有较高的CaO和MgO 。但是沥青的粉煤灰有较低的SiO2和Al2O3。表介绍了世界上粉煤灰的不同化学成分。总的来说，SiO2成分最多，Al2O3次之，Fe2O3是粉煤灰的第三主要组成元素，在1-20%之间。 从矿物学的角度来看,粉煤灰基本上由三类物质组成:水晶矿物质,燃烧的碳粒子和非结晶的铝硅酸盐玻