综述：关于同时去除多种空气污染物的催化技术的综述

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Review on the Catalytic Technologies for Simultaneous Removal of Multiple Air Pollutants

催化多污染物协同去除机理与材料研究综述，提出CO-SCR、HC-SCR、NH3-SCR与催化氧化耦合等主流技术体系，分析光热协同催化等创新工艺发展方向。

　　

詹梦娜|余世波|李天宇|曾一清|张淑乐|钟兆祥

南京工业大学环境科学与工程学院，中国南京211816

摘要

工业过程和车辆尾气排放的废气中通常含有两种以上的空气污染物。传统的污染控制技术通常针对单一污染物进行处理，这往往导致协同效应较低、设备占用空间大、成本高昂以及能耗较高。为了解决这些问题，研究人员试图开发能够同时去除多种污染物的高效技术。本综述重点介绍了用于同时去除颗粒物（PM）、氮氧化物（NO_x）、挥发性有机化合物（VOCs）、一氧化碳（CO）和汞（Hg）等多种污染物的催化技术，并总结了CO选择性催化还原（CO-SCR）、烃类选择性催化还原（HC-SCR）结合VOCs催化氧化的脱硝技术、NH₃-SCR结合CO氧化的脱硝技术、催化过滤技术、催化氧化技术以及光热协同催化技术等的工业应用情况、作用机制及相应功能材料。最后，提出了多污染物去除技术未来发展的展望，以期为未来的研究和工业应用提供指导与启示。

引言

空气污染物，如颗粒物（PM）、氮氧化物（NO_x）、挥发性有机化合物（VOCs）、一氧化碳（CO）和汞（Hg），不仅对生态环境造成严重破坏，还会对人类健康产生直接或间接的危害[1]，[2]。因此，人们开发了一系列空气污染控制技术来减少污染物的排放并降低环境和健康风险。NO_x的净化方法包括通过选择性催化还原（SCR）和非选择性催化还原（SNCR）将其还原为N₂[3]，[4]，以及通过催化氧化、吸附和液相氧化将其转化为硝酸盐[3]，[4]。对于含有VOCs的气体，高浓度的VOCs通常采用再生热氧化器（RTO）进行销毁，并通过冷凝和膜分离回收燃烧产物[5]；而低浓度的VOCs则常用吸附和催化氧化方法去除[6]。对于CO和Hg的净化，常用的技术包括催化氧化和吸附[7]，[8]，[9]，[10]，[11]。通常情况下，工业排放物、车辆尾气和室内空气中同时存在多种污染物。目前，实现多种污染物达标排放的常见方法是串联使用多个单一功能处理单元。尽管这种串联连接方式能够去除多种污染物，但这些传统方法存在复杂性、空间需求大、维护成本高以及各单元之间相互干扰的问题。例如，处理化石燃料燃烧锅炉排放的污染物通常需要依次使用SNCR、SCR、静电除尘器、湿法烟气脱硫和湿式静电除尘器等装置，每个装置针对特定的污染物[12]。

为了解决上述问题，研究人员开发了多种多污染物协同去除技术。传统的多污染物协同去除技术包括吸收法和吸附法[13]，[14]。吸收法依靠液相吸附剂通过酸碱中和或氧化还原反应去除多种污染物，但会产生大量需进一步处理的二次废水[15]，[16]。吸附法利用多孔吸附剂（如活性炭、沸石）通过物理或化学作用捕获多种污染物[17]。虽然吸附法具有高选择性和良好的重复使用性，但仍存在吸附剂成本高、污染物吸附容量有限以及吸附剂再生困难等局限性[18]。相比之下，协同催化技术整合了多种活性组分或能量源（如等离子体、光、电和热等），构建出多功能催化系统，实现了高效、同时且低能耗的多污染物去除，显示出在工业和交通领域复杂排放物处理中的巨大应用潜力。

近年来，多项综述研究了多污染物的协同去除技术。例如，戴等人[19]探讨了CO-SCR和NH₃-SCR反应的基本机制，并讨论了各种预处理策略及其对催化性能的影响。张等人[20]总结了热催化和光热催化技术在同时去除VOCs和NO_x方面的最新进展，重点介绍了催化剂设计策略以及H₂O、CO₂和SO₂对催化稳定性的影响机制。林等人[12]研究了臭氧氧化技术在去除NO_x、有机污染物和汞方面的应用。尽管这些综述提供了关于反应机制、催化剂设计和性能提升的深入见解，但它们主要关注单一催化技术或多污染物去除中的三种污染物。此外，这些综述缺乏对协同催化技术的系统性和综合性分析。

在本综述中，我们总结了大气多污染物协同去除催化技术的研究进展。首先，重点介绍了CO和NO_x的协同处理技术，包括CO-SCR脱硝和NH₃-SCR结合CO氧化的协同脱硝技术，探讨了其反应机制、优缺点。随后，介绍了VOCs和NO_x的协同处理方法，主要包括HC-SCR技术、NH₃-SCR与VOCs催化氧化的协同脱硝技术以及VOCs催化氧化与NO_x催化氧化的协同脱硝技术，揭示了不同催化系统在多污染物去除中的协同作用机制。此外，还回顾了PM和VOCs、PM和NO_x的协同去除技术，重点探讨了纳米纤维膜和多孔陶瓷膜在污染物去除过程中的作用机制及当前研究现状。同时，还分析了VOCs和CO的协同去除技术，强调了催化氧化和光热催化技术的应用。总之，本综述旨在总结主流的多污染物协同催化技术，为研究人员提供更清晰、更全面的理解。

章节片段

CO和NO_x的同时去除

在钢铁厂、焦化厂、燃煤电厂和机动车中，化石燃料的不完全燃烧常常导致CO和NO_x的同时排放[21]。为了解决这一问题，开发了CO-SCR以及NH₃-SCR结合CO氧化的协同脱硝技术作为有效解决方案。CO-SCR更适合处理CO浓度较高的废气，例如来自焦炉、烧结炉和工业排放中的再生炉的废气

VOCs和NO_x的同时去除

除了CO和NO_x外，NO_x和VOCs也是工业废气中的典型有害气体污染物，它们常常同时从废物焚烧厂、金属冶炼设施、焦化工业和燃煤电厂等固定污染源排放[56]。工业废气中常见的VOCs包括醇类、醛类、苯、甲苯、氯苯等。为同时去除NO_x和VOCs，采用了多种方法

NO_x/VOCs和PM的同时去除

除了CO和NO_x这对气体污染物外，实际排放物中还含有PM。例如，石油化工、冶金和水泥生产过程中的工业废气通常含有复杂的气体污染物和颗粒物混合物[90]。此外，化石燃料（如煤和石油）的不完全燃烧不仅会排放大量VOCs，还会产生额外的颗粒物[91]。此外，PM、NO_x和VOCs并不仅限于工业领域

VOCs和CO的同时去除

除了NO_x相关的协同处理途径外，VOCs和CO也是实际排放物中常见的共存气体污染物组合。VOCs主要来自煤炭和石油化工、燃料制造及纺织印刷等行业。具体排放的VOCs类型取决于行业类型，包括非甲烷烃类、含氧有机化合物、卤代烃类和含氮有机化合物等

Hg和NO_x的协同去除

汞（Hg）是一种高毒性的重金属，由于其生物累积性、挥发性和持久性，对人类健康有重大影响。在催化剂上，NO_x被还原为Hg⁰，而Hg⁰会被氧化为HgO。因此，在单一净化装置中高效去除NO_x和Hg^{0的关键在于合理调整氧化还原平衡[114]。在同时去除过程中，气态Hg0和NH₃首先被吸附在催化剂表面，生成吸附态的Hg0和NH₃}

结论与展望

本综述总结了多污染物（CO、NO_x、VOCs、PM、Hg、NH₃）协同去除技术的研究进展，包括其基本机制、功能材料和当前应用。介绍了CO和NO_x的催化处理方法，以及VOCs和NO_x的协同处理方法，重点关注了主要催化系统及其反应机制。此外，还分析了纳米纤维膜和多孔陶瓷膜在多污染物协同去除中的潜力

CRediT作者贡献声明

李天宇：概念构思。曾一清：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念构思。张淑乐：撰写 – 审稿与编辑、概念构思。钟兆祥：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念构思。詹梦娜：撰写 – 原稿撰写、概念构思。余世波：概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（22325804和22308148）、江苏省自然科学基金（BK20230344和BK20240557）、江苏省高等教育机构自然科学基金（24KJB530010）、江苏省未来膜技术创新中心（编号BM2021804）、国家重点实验室（材料导向化学工程SKL-MCE-23A02）以及江苏省碳达峰与碳中和科学的支持