综述：超越理想条件：研究水蒸气、无机气体和挥发性有机化合物（VOC）混合物对催化去除VOCs的影响

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Beyond Ideal Conditions: Reviewing the Effects of Water Vapor, Inorganic Gases, and VOC Mixtures on Catalytic VOCs Removal

　　

丁书云|吴世林|李思蕾|方宁杰|王鹏|褚英豪

四川大学建筑与环境学院，中国四川成都

摘要

挥发性有机化合物（VOCs）因其对人类健康和环境质量的严重威胁而成为大气污染的主要危害之一，引起了广泛关注。在实际的VOCs去除过程中，工业废气的成分非常复杂，这显然会对处理效率产生关键影响，但目前在这方面还缺乏系统的综述。在这项研究中，我们批判性地分析了共存气体（包括水蒸气、无机气体（SO₂、NO_x、CO₂和CO）以及多种VOCs）对催化氧化过程中催化剂性能的影响。研究结果表明，水蒸气具有双重作用：它通过生成羟基促进VOCs的转化并提高CO₂的选择性，但同时也会竞争性吸附并导致催化剂失活。SO₂通过形成稳定的硫酸盐导致催化剂不可逆失活，而NO_x可以通过促进NO₂的生成和提供晶格氧来协同增强VOCs的降解。对于多种VOCs，通常会发生相互抑制和积碳现象，但特定的组合可以加速副产物的脱附并避免催化剂中毒。此外，我们还探讨了有助于减轻抑制作用并充分发挥促进作用的反应条件（如温度、硫/湿度波动、浓度和空速）。最后，我们对VOCs实际降解的新趋势和面临的挑战进行了展望。我们期望这项工作能为未来工业领域VOCs净化技术的突破提供重要的参考和指导。

引言

由于挥发性有机化合物（VOCs）具有易扩散、高毒性和强致癌性，它们会通过形成臭氧（O₃）、悬浮颗粒物、光化学烟雾等有害物质对大气环境造成严重破坏[1]、[2]。因此，全球范围内已经投入了大量精力开发各种处理方法来应对VOCs污染[3]。迄今为止，催化氧化被认为是最有前景且最环保的方法之一，因为它具有出色的反应效率、良好的经济可行性和环保效益[4]。在过去二十年里，国际上对多种VOCs的催化氧化进行了大量研究，相关论文数量逐年增加（见图1a）。如图1(b)所示，世界各国在VOCs催化氧化领域展开了广泛而紧密的合作，其中中国的研究成果最多。

在催化氧化过程中，VOCs首先被吸附在催化剂表面，然后与氧气分子发生反应，最终实现高效分解[5]。然而，理想化的实验室研究与实际工业应用之间存在显著差异。大多数研究仅关注单一纯VOC作为反应物，而实际工业污染物总是伴随着复杂的气体混合物，包括水蒸气、无机气体（SO₂、NO_x、CO₂和CO）以及多种VOCs[6]。例如，水蒸气是许多过程中的不可避免的成分。水分子可以在活性位点解离，促进羟基的生成和加速，从而提高VOCs的转化率和CO₂的选择性[7]；但同时它也会竞争性吸附，导致催化剂失活。对于无机气体，它们的存在至关重要，因为它们会与催化剂表面发生反应：SO₂常通过形成稳定的硫酸盐副产物导致催化剂不可逆失活[8]；而NO_x可以协同参与反应，其中NO的加入可以促进NO₂的生成，从而增强O₂在还原位点的氧化能力并提供晶格氧，加速VOCs的降解[9]。此外，工业废气中通常含有多种VOCs，而不是单一物种。各种有机化合物的共存会导致不可预测的相互作用，如由于竞争性吸附和积碳导致的相互抑制或催化剂失活，这严重阻碍了催化氧化的深入进行[10]。令人惊讶的是，某些VOCs的组合还可以产生促进作用，例如加速副产物的脱附，避免催化剂中毒[11]。因此，为了弥合理论研究与工业应用之间的差距，系统地研究这些共存成分至关重要。

催化系统中的复杂气体成分对VOCs催化氧化的过程和效果有着深远的影响。因此，将这些因素纳入VOCs催化氧化的研究重点是非常必要的。遗憾的是，目前还缺乏系统性的综述来全面阐述共存气体对VOCs催化氧化的机制和影响，以及如何通过合理调控来最大化反应效率以去除多组分污染物。在本文中，我们系统地阐明了共存气体（按顺序为水蒸气、无机气体和多种VOCs）对VOCs催化氧化的重要影响，重点讨论了不同共存气体对不同VOCs催化氧化的作用机制。随后，我们探讨了反应条件，旨在最大化其积极作用并减少负面影响。最后，我们从工业应用的角度提出了VOCs催化降解面临的挑战和未来发展方向。我们期望这篇具有指导意义的综述能为研究人员提供有价值的参考，推动该领域的进一步突破。

章节摘录

工业VOCs的排放源多种多样，包括化学制造、石油精炼、涂层工艺、印刷工业和废物处理设施[12]、[13]。这些工业废气的成分非常复杂，通常是由多种化合物组成的混合物，而不仅仅是单一的VOC。工业VOCs排放的主要特征是包含多种化合物（如烷烃、芳香烃、醛类等）

实验室研究通常在稳态和受控条件下评估催化性能。然而，工业VOCs处理系统通常在动态且复杂的烟气环境中运行，其中温度、湿度、污染物浓度和气体成分会随时间显著变化。因此，了解操作参数如何在实验室和工业实际条件下影响催化性能至关重要

共存气体（如水蒸气、无机气体（SO₂、NO_x、CO₂和CO）以及多种VOCs）对工业VOCs的催化氧化具有关键影响。这些在工业废气中常见的成分根据其性质、浓度及其与催化剂表面的相互作用，可能会抑制或促进催化活性。理解这些复杂的相互作用对于设计既活跃又稳定的催化剂至关重要

褚英豪：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金筹集。王鹏：软件开发、实验研究、数据分析、数据管理。方宁杰：撰写——审稿与编辑、数据可视化、资源协调、资金筹集。李思蕾：数据验证、软件开发、实验研究、数据管理。吴世林：撰写——审稿与编辑、数据可视化、方法研究、实验研究、数据分析。丁书云：初稿撰写、数据验证、方法研究、实验研究

作者声明他们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。

本研究得到了四川省科学技术厅重点研究项目（2020YJ0260）和四川省科学技术厅项目（2023NSFSC0841）的财政支持。

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