新型VOCs催化燃烧装置在本科生培养中的应用

王永强, 刘　芳, 赵朝成, 孙　娟, 卢　磊, 李　石

(中国石油大学(华东) 化学工程学院, 山东 青岛　266580)



新型VOCs催化燃烧装置在本科生培养中的应用

王永强, 刘芳, 赵朝成, 孙娟, 卢磊, 李石

(中国石油大学(华东) 化学工程学院, 山东 青岛266580)

为了适应学科的发展方向,开发了一套新型VOCs催化燃烧装置,该装置包括进样系统、预热及反应系统、产物分离及采集系统、在线监测系统4部分。该装置在大气污染控制工程教学实验、环境工程专业认识实习、大学生创新创业训练计划中的应用表明，该设备及实验使学生对大气污染控制产生了浓厚的兴趣,对于环境专业复合型创新人才的培养具有重要意义。

大气污染控制工程； 挥发性有机污染物； 催化燃烧装置； 实验课程建设

1　VOCs催化燃烧装置研制宗旨

随着我国经济的发展、城市化和工业化进程的加快,我国环境污染问题日趋严重,尤其是大气污染,环境空气质量急剧下降,其中雾霾问题尤为突出。雾霾不仅可导致大气能见度降低、空气质量的下降,且可严重影响人体健康[1-2]。钟南山院士曾指出“阴霾天气比香烟更易致癌”。哈佛大学公共卫生学院研究证明,雾霾天中的污染物不仅会引发心肌梗塞,还会造成心肌缺血或损伤。肺气肿、哮喘等常见呼吸道疾病,也可能被雾霾天急性触发。雾霾问题已经成为我国当前面临的最大环境问题,对其来源和控制的研究是当前环境领域的研究热点和难点。造成雾霾的因素除了不利的气象条件(如逆温、静风等)外,最主要的原因是污染物的过度排放[3]。引起雾霾的主要污染物包括粉尘、硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、挥发性有机物(VOCs)以及由其形成的二次污染物等。众多研究[3-4]表明VOCs是造成雾霾最主要的污染物之一。VOCs是指在常温下饱和蒸汽压大于70 Pa,常压下沸点在260℃以下的有机化合物，包括烷类、芳烃类、烯类、卤烃类、酯类、醛类、酮类等,主要来源于工业生产、汽车尾气及日常生活[5-6]。

目前,VOCs的治理技术主要包括吸收法、吸附法、热力燃烧、催化燃烧、生物降解、膜分离等[7],其中催化燃烧法由于具有低能耗、效率高、无氮氧化物等二次污染物产生等优点[8],已成为VOCs治理的主要控制技术。在环保部发行的《挥发性有机物(VOCs)污染防治技术政策》(公告2013年 第31号)中,催化燃烧法为处理中等和低等浓度VOCs的推荐末端治理技术,尤其是在石化、印刷、喷漆等具有大规模集中VOCs排放的行业,催化燃烧法可从根本上控制VOCs过度排放[9]。催化燃烧反应的核心是高效、稳定、低成本催化剂的开发[10-11],本课题组的主要人员为了进行相关新型催化剂的开发,曾组装了一台简易的催化燃烧装置,但装置简易且不便操作,此方面的研究成果难以体现在本科生的实验教学中。

“大气污染控制工程”作为环境工程专业的专业核心课,是我校大气污染控制课程为重点建设课程,也是我校环境工程专业的本科生必修课。除去教授传统的大气污染控制理论和技术外,在教学过程中也应引导学生了解学科的前沿及发展趋势。为此中国石油大学(华东)大气污染控制工程课程组,在教学内容上加入了VOCs催化燃烧方面的理论讲解,为了配合教学需求,本课题组在多年研究的基础上,重新设计了一套VOCs催化燃烧装置,并委托国内某化工机械公司进行了生产。此新装置不仅仅用于相关科研,且可用于本科生配套教学实验及实习等方面。在本科实验教学过程中开设VOCs催化燃烧相关的实验内容,不仅能紧跟国内外学科发展最新进展,更重要的是能够把科研成果转化为实验教学,使教学科研一体化,学生在掌握基本理论的同时,可培养学生的创新能力。

2　新型催化燃烧装置原理及流程

VOCs催化燃烧装置是一种新型、高效的气体污染物治理设备。待处理气体通过流量计和单向阀控制流量和浓度,然后稳态进入预热器,在预热单元按照设定的温度预热待处理气体,充分预热后进入反应器,反应器内装有催化剂,在催化剂的作用下使VOCs在低于燃点的温度下进行完全燃烧,尾气通过分离后进行取样或在线监测。

新型VOCs催化燃烧装置主要包括进样系统、预热及反应系统、产物分离及采集系统、在线监测系统4部分(见图1)。为了模拟实际气体多组分复杂体系,进样系统包括3路液相、1路气相进料。3路液相分别可以产生不同的VOCs模型污染物；1路气相可以通入空气进行稀释,以便于模拟实际气体，也可通入其他气体。预热器可自动跟踪控温,根据设定的温度进行程序升温。反应器中心设一个测温点,随时监测物料的反应温度；反应器外的加热炉采用等温加热炉,反应炉为开式炉,设3个控温点。产物在保温箱中用高温气液分离罐除去高沸点液相后,采样分析气相,气相冷凝后通过背压阀将压力降低至接近常压后进入气液分离罐中分离。在线监测系统通过六通阀直连瓦里安CP-3800进行在线监测。

图1　VOCs催化燃烧装置结构示意图

3　新型催化燃烧装置在本科生培养中的应用

目前新型VOCs催化燃烧装置主要应用在我校的大气污染控制工程课程教学实验、环境工程专业认识实习和大学生创新创业训练计划。

3.1大气污染控制工程课程实验课

3.1.1实验试剂与仪器

试剂:甲苯(AR)、硝酸镧(AR)、硝酸铈(AR)、50%硝酸锰(AR)、无水乙醇(AR)、γ-Al2O3等。

主要仪器:催化燃烧装置，气相色谱仪(VARIAN CP-3800)，马弗炉等。

3.1.2催化剂的制备

本实验所用的催化剂为自制负载型钙钛矿催化剂,选用粒径介于1～2 mm的球状γ-Al2O3作为载体负载活性组分。首先对载体进行活化,将γ-Al2O3置于马弗炉中于550 ℃条件下焙烧4 h;按照化学计量比称取一定量的La(NO3)3·6H2O、Ce(NO3)3·6H2O、Mn(NO3)2·6H2O并溶于无水乙醇中,搅拌使其混合均匀；称取一定量经活化的γ-Al2O3载体,按照等体积浸渍法的比例放入上述溶液中，室温下浸渍12 h；然后放入恒温烘箱中,于80 ℃条件下干燥12 h;最后将催化剂放入马弗炉中在一定温度下焙烧后即得到所需负载型钙钛矿催化剂[12-13]。

3.1.3催化燃烧甲苯实验

采用催化燃烧装置进行实验,气体发生装置产生含有确定量的甲苯气体。根据Antoine方程,通过设定相应恒温槽的温度,计算出甲苯的饱和蒸汽压,得到挥发出的甲苯气体量。调节气路空气和甲苯气体的流量比例,就可以获得不同浓度的甲苯气体,在实验中一般选择甲苯进气流量为1.0 L/min(反应空速为6 000 h-1),甲苯进气质量浓度为4 000 mg/m3左右。反应气体首先经预热器预热至200 ℃,然后进入反应器(反应器中催化剂的量为10 mL),反应器的温度控制在300 ℃,发生甲苯的催化燃烧反应,通过气相色谱检测反应器进口和出口的甲苯浓度,从而确定催化燃烧装置的净化效率。必要时还可以通过调节蒸气发生器的流量来调节污染气体的相对湿度,以考察在不同湿度条件下的催化效果。

3.1.4操作条件对催化燃烧效率的影响

通过改变处理气量、进气浓度、相对湿度、气体种类及催化剂种类,分别测定不同条件下甲苯的净化效率,研究催化燃烧基本规律,加深对催化燃烧理论的理解。

3.2环境工程专业认识实习理论课

本装置还向参加认识实习的大二学生开放。按照我校环境工程专业的培养计划,在大二课程结束后,暑假期间有2周的认识实习,让学生提前了解环境工程专业主要涉及的污水、废气、固废等处理装置和设施,增加学生的感性认识。该专业选择我们设计的这套装置作为认识实习的一部分,由教师负责催化燃烧降解气体污染物的原理,本催化燃烧装置的主要操作流程和控制单元,让学生在没有接触专业课之前,先对常用的气体污染治理设备有一定的感性认识,并结合目前严重的雾霾问题,加深学生对气体污染物治理的必要性的认识,在激发学生对专业课学习的积极性的同时提高他们的社会责任感。

3.3大学生创新创业训练计划

本实验装置还向参加大学生创新创业实验训练计划项目(简称“大创项目”)的学生开放。大创项目是国家为了促进高等学校转变教育思想观念、改革人才培养模式、强化创新创业能力训练、增强高校学生的创新能力和在创新基础上的创业能力,培养适应创新型国家建设需要的高水平创新人才而设立。为此本课题组每年鼓励一部分有兴趣、科研能力强的学生,积极参与课题组工作,为其提供一系列大气污染治理的课题进行锻炼。迄今为止，已有10余人次在本平台上开展了大学生创新项目,通过锻炼大大提高了他们的动手能力以及分析问题和解决问题的能力。

4　结语

我国高等教育的任务是培养具有创新精神和实践能力的高级专门人才,为此不仅要进行传统的基础知识和理论的教学,更应紧跟学科的发展方向,着重提高学生的创新能力和实践能力。作为未来环境工程的专业人才,有必要了解国内严峻的大气污染形势,并应掌握相关的污染治理技术。该新型VOCs催化燃烧装置在教学实验、认识实习及大学生创新项目中的应用,不仅仅有助于构筑学生的理论知识结构,在学生创新能力和实践培养方面也起到了很好的效果,对培养在大气污染治理领域的专业人才具有重要意义。

References)

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[13] 许秀鑫,王永强,赵朝成. 负载型钙钛矿催化剂对VOCs的催化燃烧性能研究[J]. 四川环境,2013,32(4):33-36.

Application of new-type catalytic combustion of VOCs in undergraduate education

Wang Yongqiang, Liu Fang, Zhao Chaocheng, Sun Juan, Lu Lei, Li Shi

(College of Chemical Engineering,China University of Petroleum(Huadong),Qingdao 266580, China)

A kind of new-type catalytic combustion equipment of VOCs treatment is developed and designed. The designed equipment includes the following four systems: sample system,pre-heat and reaction system,products separation and collection system, and on-line detective system. It is applied to the teaching experiment of air pollution control engineering,the field trip of environmental engineering major, the undergraduates’ innovation and entrepreneurship training program. Through the equipment and experiment,the students increase their interests in air pollution control,which has important significance for the cultivation of interdisciplinary innovative talents in the environment major.

air pollution control engineering; volatile organic compounds; catalytic combustion equipment; construction of experimental course

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.020

2015-11-17

国家自然科学基金项目(51202294)；山东省自然科学基金项目(ZR2014EEM011);中国石油大学(华东)教改项目(QN201408)

王永强(1978—)，男，山东博兴，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为环境催化.

X701；G642.0

A

1002-4956(2016)6-0074-03