浅析已二酸工业尾气N2O催化分解的研究

关键词：N2O，分子筛，直接催化分解

中图分类号：TQ111.2

1. N2O的危害及工业排放概况

氧化亚氮，化学式N2O，是一种无色并有微弱甜味的气体，对人体并无明显毒性。其沸点为-88.49℃，熔点为-90.80℃，临界温度36.5℃，相对密度为1.977，直线型排布结构，氮氧原子sp杂化，生成了两个σ键。笑气具有氧化性，支持燃烧，但在室温下稳定。

大气中痕量气体一氧化二氮（N2O）是被认为是破坏平流层臭氧的物质之一，同时也是《京都议定书》规定的6种温室气体之一，其全球升温潜能值（GWP）分别是CO2和CH4的310倍和21倍，对全球的温室效应的贡献为5%，是大气的严重污染物之一[1]。N2O的浓度每增加一倍，全球升温0.3℃[2]。自工业革命以来，人类活动造成N2O浓度急剧增长，至1990年已达310ppd，且以0.2～0.3%每年的速度增长，而N2O在平流层中非常稳定，寿命可达150年[3]。

N2O的排放来源主要是自然源和人为源，人为源主要是：（1）硝酸及其相关产品的生产；（2）己二酸的生产和以己二酸为原料的化学品的生产；（3）生物质燃烧以及农田土壤的排放。其中，据估计每年10%的N2O的排放来自于己二酸的生产，因此，己二酸尾气中N2O的治理具有重要的工业与环境意义。

2. N2O处理方法

现阶段处理N2O的工业方法主要有四种，分别是催化分解法、热分解法、还原焰处理法和将N2O作为氧化剂来生产化学品等。环己烷硝酸氧化法是目前生产己二酸的主要方法，己二酸的主要生产厂家包括美国孟山都、杜邦以及法国罗地亚都采用这一工艺技术，而其缺点就是硝酸用量大，N2O污染物排放量大。美国Solutia公司和俄罗斯Boreskov催化剂研究所（BIC）将N2O作为氧化剂，共同开发的以N2O为氧化剂，进行苯气相氧化合成苯酚，这是最近几年开发出来的新的生产苯酚的技术路线[4]。但是这种方式并无法发满工业需要，我们需要一种更为有效的方式。其中，直接催化分解法由于反应温度相对较低，无需还原剂，运行费用低，并且分解产物为N2和O2对环境没有二次污染，已成为最有应用前景的N2O脱除技术。

3. N2O直接分解催化剂的研究

N2O在高温条件下可以分解为N2和O2，加入催化剂后，可大大降低能耗。而寻求高效催化剂一直是人们研究的热点。应用于N2O分解的催化剂可大致分为1）稀土氧化物和氧化物；2）复合金属氧化物；3）活性炭及金属氧化物改性的活性炭类物质催化剂；4）水滑石热分解产物；5）阳离子交换沸石。目前对催化体系的研究主要集中在金属催化剂，分子筛催化剂和氧化物催化剂三类。

大量的研究结果表明：催化剂催化分解N2O的活性与催化剂的金属-氧键的键能、晶胞参数、电导能、磁性能、价态、缺陷结构等物化特性密切相关。金属离子交换的沸石以及水滑石热分解产物催化剂具有较高的催化分解N2O的活性。然而，温度对水滑石的稳定性影响很大，当温度升高，将会出现不稳定现象。而分子筛很好的克服了这个问题，所以，采用沸石分子筛催化N2O分解成为人们关注的焦点。

近年来许多研究表明，一系列分子筛催化剂具有很好的N2O催化分解活性。其中，ZSM-5分子筛系列中，经过Cu离子和Co离子交换得到的Cu-ZSM-5和Co-ZSM-5的具有较好的催化活性。对于阳离子交换Y型系列分子筛催化剂（Fe-Eu-Y，Mn-Y，La-Y，FeLa-Y，Eu-Y，Cr-Y，Co-Y，Fe-Y，Ni-Y和Cu-Y），研究发现Fe-Eu-Y和Cu-Y的活性最好。与此同时，通过比较不同构型的分子筛Co-ZSM-5，Co-Y，Cu-ZSM-5，Cu-Y，Cu-L N2O催化分解活性，发现分子筛结构对于活性中心起着骨架的作用。因此，通过某种构型的沸石和特定的金属离子的组合可能寻找到一个良好的催化剂。β分子筛因具有独特的拓扑结构，而具备适度的酸性、良好的酸、热、水热稳定性和疏水性，在催化反应过程中，不易结焦，使用寿命长，具有优异的催化性能，因此具有一定的研究前景。

随着世界范围内环保意识的加强，已二酸尾气中N2O的催化分解处理，将越来越受到人们的重视。如何探寻开发高活性、高稳定性、且能够降低催化剂成本，延长其使用寿命将是今后N2O催化分解研究的热点和重点。

参考考文献

[1] 杨波，沈岳松，祝社民. 催化分解N2O催化剂的研究新进展[J]. 环境工程. 2012 （2）.

[2] 姚荣奎，禹仲举，徐学武，等. 大气中 N2O 的 GC-ECD 方法和环境浓度及来源[J].环境化学，1994，13（1）： 22-29.

[3] 张秀君. 温室气体氧化亚氮排放源的研究[J]. 沈阳教育学院学报. 2003 （1）.

[4] 孙娜， 杨丰科， 刘均洪. 降低N2O排放的己二酸尾气处理技术[J]. 工业催化， 2003， 11（6）： 11.