在精细化工、制药等行业,经常同时面临含有挥发性有机物(VOCs)的废气和高浓度有机废液的治理需求。传统的方案是为废气和废液分别建设一套独立的处理装置,如蓄热式催化燃烧(RCO)处理VOCs,湿式氧化(WAO)处理废液。这不仅占地大、投资高,还割裂了气液两相潜在的协同反应可能。钙钛矿型复合氧化物(通式ABO₃),因其结构稳定、组成可调、氧流动性强和优异的氧化还原性能,被发现对VOCs的完全催化氧化和液相中有机物的湿式催化氧化,均表现出令人瞩目的高活性。这为在同一套催化反应器中,实现废气废液的“气液共治”提供了共同的催化化学基础。
钙钛矿氧化物催化剂在气体与液体中的催化氧化,遵循着相似的Mars-van Krevelen氧化还原机理。对于VOCs催化燃烧,钙钛矿晶格中的活性氧物种直接参与反应,将吸附在表面的VOC分子深度氧化为CO₂和H₂O,而自身被还原;随后,气相中的O₂补充到晶格氧空位,使催化剂再生。在湿式空气氧化废液时,在高温高压水中,同样是催化剂表面的活性氧,将溶解的有机分子氧化降解。这意味着,设计一个将高温废气(含VOCs)与高压高温废液(WAO条件)在催化剂床层上接触的共处理反应器,废气中富含的氧气正好可以作为废液氧化的氧化剂,实现了氧化剂(O₂)的“一源两用”,并利用废气自身的高温来加热废液,进行能量的内部集成。
实现这一构想的关键,是催化剂的设计和反应器的流场优化。由于ABO₃中A位和B位离子可以被其他金属(如Sr掺杂A位、Cu、Fe掺杂B位)部分取代,可以精准地调变其晶格氧空位的浓度和活性,以适应气液两相不同的反应速率需求。反应器可以采用固定床形式,高温废气与预热后的高压废液同时通过催化剂床层。气体为连续相,液体在催化剂表面形成液膜,气相中的VOCs和液相中的有机物在同一活性位上发生竞争吸附和氧化。这种一体化的气液共处理方案,能够将工厂的废气燃烧炉和废液湿式氧化反应器合并为一套装置,共享催化剂、反应器和热回收系统,有望大幅度降低设备投资和运行能耗,是有机废气和废液治理领域一个极富想象力的集约化技术路线。
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