一种新型 PTFE 复合催化滤材在垃圾焚烧烟气多污染物协同净化中的应用

《Scientific Reports》：Application of PTFE composite catalytic filter material in synergistic purification of multiple pollutants in waste incineration flue gas

为解决垃圾焚烧烟气污染物治理难题，研究人员开发 VMo/CeTi-PTFE 材料，其净化性能优异，为烟气治理提供新方案。

　　

垃圾焚烧烟气净化新突破：VMo/CeTi-PTFE 复合催化滤材的诞生

在当今社会，垃圾焚烧作为一种高效的垃圾处理方式被广泛应用。然而，其产生的烟气却如同隐藏在暗处的 “杀手”，对环境和人类健康构成严重威胁。这些烟气中含有氮氧化物（NOx?）、颗粒物和二噁英等多种有害成分，传统的净化技术在应对这些复杂污染物时，纷纷暴露出各自的短板。比如，选择性催化还原（SCR）技术虽能去除氮氧化物，但在高浓度二氧化硫（SO2?）和水（H2?O）的环境中适应性较差，还容易出现催化剂中毒的问题；静电除尘器（ESP）对颗粒物的去除效率较高，却难以有效处理气态污染物。而二噁英作为一种持久性有机污染物，现有处理方法成本高且效率低，如何高效净化垃圾焚烧烟气成为环保领域亟待攻克的难题。

为了打破这一困境，中国科学院大学化工学院和中国恩菲工程技术有限公司的研究人员踏上了探索之旅，他们致力于开发一种新型的复合催化过滤材料，以实现多种污染物的协同去除，为垃圾焚烧烟气净化开辟新道路。最终，他们成功研发出了钒（V）、钼（Mo）/ 铈（Ce）、钛（Ti） - 聚四氟乙烯（VMo/CeTi-PTFE）复合催化过滤材料，并将相关研究成果发表在《Scientific Reports》上，为垃圾焚烧烟气治理带来了新的曙光。

研究人员在这项研究中运用了多种关键技术方法。在材料制备方面，采用共沉淀法合成 VMo/CeTi 催化剂，确保活性成分均匀分散和稳定。通过循环超声振动涂层技术，将催化剂均匀地涂覆在 PTFE 滤材表面，增强催化剂与滤材的结合力。在材料性能表征上，运用氮吸附 / 脱附等温分析、X 射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、氢气程序升温还原（H2?-TPR）、氨气程序升温脱附（NH3?-TPD）等技术，全面分析材料的物理化学性质和结构性能。在性能测试环节，搭建实验室规模的模拟烟气反应系统，以评估材料在脱硝、二噁英降解和除尘方面的性能。

研究结果

1. 催化滤材的表征结果
   • 比表面积和孔结构分析：未处理的 PTFE 材料具有较大的纤维间空隙和光滑表面，比表面积约为10m2/g。VMo/CeTi-PTFE 复合催化滤材虽比表面积降低约 28.88%，但孔体积增加 5.71%，平均孔径扩大 42.30%，这增强了大分子污染物的扩散速率，弥补了比表面积减小带来的影响。
   • 晶体结构分析：XRD 分析表明，催化剂主要结构基于TiO2?，CeO2?成功掺入 VMo/CeTi 催化剂中，且该催化剂与 PTFE 滤材有效结合，主要晶体结构未受明显影响。
   • 表面形貌和元素分布分析：SEM 图像显示，VMo/CeTi 催化剂呈典型颗粒状，PTFE 滤材为纤维结构，VMo/CeTi-PTFE 复合催化滤材的催化剂颗粒均匀分布在 PTFE 纤维表面。元素分布分析证实，催化剂主要元素（Ce、V、Mo、Ti）均匀分布，PTFE 纤维结构特征保持完好。
   • H2?-TPR 和NH3?-TPD 分析：H2?-TPR 分析显示，VMo/CeTi-PTFE 虽高价钒离子含量略有降低，但仍具有优异的氧化还原性能。NH3?-TPD 分析表明，涂层处理后催化剂的弱酸和中强酸位点分布变化不大，但总酸度降低。
2. 协同效应分析：研究发现，VMo/CeTi 催化剂与 PTFE 材料之间存在显著协同效应。在热稳定性方面，400°C 时，VMo/CeTi-PTFE 复合催化滤材质量损失仅为 2%，远低于 VMo/CeTi 催化剂的 15%。在脱硝性能上，VMo/CeTi-PTFE 复合催化滤材初始NOx?转化率达 97%，360 分钟后仍保持 95%，而 VMo/CeTi 催化剂初始转化率为 85%，360 分钟后降至 60%。在抗恶劣环境方面，在高湿度和高SO2?浓度条件下，VMo/CeTi-PTFE 复合催化滤材的N2?产率达到 97%，远超 VMo/CeTi 催化剂的 80%。
3. 催化滤材的性能测试结果
   • 不同催化剂脱硝性能的比较：负载不同催化剂的 PTFE 滤材脱硝性能测试表明，VMo/CeTi-PTFE 在低温（140°C）和高温（850 - 900°C）下，NOx?转化率均显著高于其他催化剂，选择性也更优。
   • 催化剂负载量对催化滤材性能的影响：随着催化剂负载量增加，VMo/CeTi-PTFE 催化滤材的脱硝、二噁英降解和除尘性能均显著提升。在不同温度下，较高的催化剂负载量能提高NOx?转化率和二噁英降解率，且该滤材的动态除尘效率始终保持在 99.97% 以上。
   • 催化滤材的稳定性测试：稳定性测试显示，当粘结剂含量超过 80% 时，VMo/CeTi-PTFE 催化滤材的涂层具有足够的粘附强度，能承受高强度脉冲，表现出优异的机械稳定性。
   • 催化滤材的耐水和耐硫性分析：在含有 200 ppm SO2?和 10% H2?O的反应气体中，VMo/CeTi-PTFE 催化滤材在 200°C 时，NOx?转化率和N2?产率在反应初期受影响较小，但随着反应进行会有所下降，不过仍展现出一定的稳定性。
4. 催化滤材的反应机理分析
   • 脱硝反应机理：在脱硝反应中，NH3?先吸附在催化剂表面的酸性位点上，形成NH4+?和配位NH3?物种，随后与NOx?的活性中间物种反应，生成N2?和H2?O，并再生催化剂活性位点。
   • 二噁英降解机理：二噁英降解的关键步骤是 C - Cl 键的断裂和脱氯过程。二噁英分子吸附在催化剂酸性位点上，催化剂表面的 - OH 物种通过亲核取代反应断裂 C - Cl 键，随后苯环发生开环反应，中间产物被氧化为H2?O和CO2?，实现二噁英的降解。
   • 反应协同效应：NH3?-SCR 反应和二噁英降解反应之间存在显著协同效应。在NOx?还原过程中，催化剂表面产生的 - OH 物种不仅促进NOx?还原，还加速二噁英分子的脱氯和开环氧化。同时，二噁英降解有助于抑制副产物的形成，提高NOx?还原反应的整体效率。

研究结论与意义

这项研究成功开发出 VMo/CeTi-PTFE 复合催化过滤材料，为垃圾焚烧烟气多污染物协同净化提供了创新解决方案。该材料集优异的过滤性能与高催化活性于一身，在脱硝、二噁英降解和除尘方面表现卓越，尤其在高催化剂负载条件下性能提升显著。同时，高粘结剂含量增强了材料的机械稳定性，其耐水和耐硫性也为实际应用提供了保障。

研究揭示的脱硝反应和二噁英降解之间的协同效应，为理解催化过程提供了新视角，也为多功能烟气净化材料的设计提供了理论基础和技术支持。与现有研究相比，该复合催化过滤材料能同时去除NOx?、二噁英和颗粒物，在复杂环境下稳定性和耐久性出色，在垃圾焚烧烟气净化领域具有广阔的应用前景。

然而，该研究也存在一定局限性，如催化滤材在实际工业复杂烟气成分下的长期稳定性和抗中毒性有待进一步验证，涂层过程中酸性位点的部分损失需要通过优化工艺和设计催化剂组分来改进。未来研究可从优化材料结构和活性成分、深入揭示催化反应机理、探索大规模制备和工业应用技术方案等方面展开，推动该技术在实际垃圾焚烧烟气处理中的广泛应用，助力环保事业发展。