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第1章 绪论1

1.1 我国的废物排放现实1

1.1.1 1999—2003年我国污染物排放的数字统计摘录2

1.1.2 2005年、2008年或2010年我国三废污染物统计数据3

1.1.3 2011年我国各个部门排放三废及其比例4

1.2 污染物的催化治理——环境催化9

1.2.1 引言9

1.2.2 污染物治理的催化技术——环境催化10

1.2.3 环境催化的非标准应用12

1.2.4 环境催化的特征13

1.2.5 环境催化作为新发明的推动力14

1.2.6 环境催化促进可持续工业化学的发展15

1.2.7 固体废物转化领域中的环境催化16

1.2.8 室内空气质量改进中的环境催化17

1.2.9 减少温室气体排放17

1.2.10 用于水补救的环境催化技术18

1.2.11 环境有害催化剂的替代18

1.3 催化剂和反应器的结构化19

1.3.1 催化反应工程的要求19

1.3.2 环境催化反应特点和要求20

1.3.3 结构催化剂和结构反应器的发展21

1.3.4 结构催化剂和结构反应器的基本类型24

1.3.5 独居石催化剂25

1.3.6 有序排列催化剂28

1.3.7 膜反应器29

1.3.8 结构催化剂的未来31

1.4 本书的写作思路和特色32

第2章 结构基体、结构催化剂和结构反应器34

2.1 引言34

2.2 结构填料34

2.2.1 多相催化反应器的结构内构件34

2.2.2 分离过程用结构填料35

2.2.3 催化反应用结构填料36

2.3 独居石结构（催化剂或反应器）37

2.3.1 基本定义和分类37

2.3.2 独居石的构型和基本性质39

2.3.3 独居石结构催化剂的优缺点41

2.4 金属结构填料45

2.4.1 波纹填料——开放错流结构45

2.4.2 波纹填料——封闭错流结构（CCFS）47

2.4.3 反应蒸馏用结构填料47

2.4.4 编织线结构填料49

2.4.5 发泡体49

2.5 纤维结构催化剂和反应器49

2.5.1 引言49

2.5.2 金属纤维52

2.5.3 玻璃纤维53

2.5.4 碳纤维54

2.5.5 纤维结构的几何性质55

2.5.6 纤维和布催化剂的应用56

2.6 有序排列催化剂反应器57

2.6.1 前言57

2.6.2 平行通道和横向流动反应器的原理和特征57

2.7 膜反应器59

第3章 结构催化剂和反应器中的传递现象63

3.1 气固独居石反应器中的热量和质量传递63

3.1.1 影响热量传递的因素63

3.1.2 蜂窝独居石中的热导率64

3.1.3 独居石通道中的对流传热关联66

3.1.4 独居石催化剂的有效因子67

3.1.5 独居石反应器最佳几何体选择69

3.1.6 独居石反应器中的气固传质71

3.1.7 管道中气体流动的压力降73

3.2 平行通道反应器（PPR）中的流动和传递现象74

3.2.1 压力降74

3.2.2 PPR中的传质阻力75

3.2.3 颗粒内传质75

3.2.4 有效床层内扩散率76

3.2.5 横向流动对传质的贡献77

3.2.6 催化剂床层的利用率78

3.2.7 对PPR的讨论79

3.3 横向流动反应器（LFR）中的流动和传递现象80

3.3.1 压力降80

3.3.2 停留时间分布80

3.3.3 PPR结构反应器床层中的结垢行为82

3.3.4 横向流动反应器（LFR）中的结垢83

3.4 多相独居石反应器的水力学特征84

3.4.1 流区84

3.4.2 压力降89

3.4.3 液体滞留91

3.4.4 停留时间分布（RTD）92

3.4.5 轴向和径向离散93

3.5 多相独居石反应器中的传质和传热94

3.5.1 液固传质94

3.5.2 气液传质96

3.5.3 气固传质99

3.6 从传递角度讨论独居石反应器性能99

3.6.1 引言99

3.6.2 独居石反应器模型99

3.6.3 蜂窝独居石反应器和常用反应器的比较100

3.7 其他多相结构填料中的传递现象介绍102

3.7.1 流区102

3.7.2 压力降和液体滞留103

3.7.3 气-液传质和界面面积103

3.7.4 液-固传质速率103

3.7.5 停留时间分布（RTD）104

3.7.6 热传输104

3.7.7 不同结构填料间的比较104

3.8 其他结构填料的水力学和传递106

3.8.1 波纹填料：开放错流结构（OCFS）106

3.8.2 封闭错流结构波纹填料（CCFS）及其流体力学特性109

3.8.3 编织线结构填料及其流体力学特性110

3.8.4 金属、陶瓷和石墨发泡体111

3.8.5 纤维材料上的传质和流体力学113

第4章 结构催化剂的制备115

4.1 陶瓷蜂窝独居石基体的制造115

4.1.1 引言115

4.1.2 挤压技术生产陶瓷蜂窝独居石117

4.1.3 低表面积独居石基体的制造118

4.1.4 高表面积独居石基体的制造120

4.1.5 整体独居石催化剂122

4.2 金属独居石基体的制造122

4.2.1 金属基质123

4.2.2 金属独居石设计和制造125

4.3 陶瓷蜂窝独居石基体上载体和催化活性组分的沉积126

4.3.1 陶瓷独居石结构上载体层的沉积126

4.3.2 浆液浸泡（洗涤涂层）陶瓷独居石127

4.3.3 陶瓷独居石载体上催化活性组分的沉积129

4.4 金属结构填料基体上的载体涂层131

4.4.1 金属表面处理和载体涂层131

4.4.2 金属基体上涂层的黏结性132

4.4.3 阳极氧化制备技术132

4.5 金属结构填料载体表面催化活性组分涂渍133

4.5.1 催化活性组分的悬浮涂渍133

4.5.2 溶胶-凝胶沉积134

4.5.3 电泳沉积（EPD）135

4.5.4 电化学沉积和化学镀135

4.5.5 浸渍136

4.5.6 催化活性组分沉积的组合技术136

4.6 碳蜂窝独居石的制造139

4.6.1 集成或整体碳蜂窝独居石的制备139

4.6.2 碳涂层蜂窝独居石141

4.6.3 在金属表面沉积碳层144

4.7 多孔膜制备技术144

4.7.1 无机微孔薄膜144

4.7.2 溶胶-凝胶制备技术145

4.7.3 沸石膜的制备147

4.7.4 其他微孔无机膜153

4.7.5 沸石膜和溶胶-凝胶膜的比较154

4.8 平行流动和横向流动结构反应器的制造154

第5章 汽车尾气污染物的消除156

5.1 背景156

5.1.1 汽油机引擎的排放156

5.1.2 影响汽车尾气的因素和可能采取的策略157

5.1.3 法规要求159

5.2 汽车尾气转化催化剂162

5.2.1 引言162

5.2.2 TWCs中的活性组分162

5.2.3 TWCs中的氧化铝载体163

5.2.4 TWCs中的CeO2-ZrO2混合氧化物165

5.2.5 TWCs的失活167

5.2.6 催化剂涂层涂渍工艺168

5.3 汽车转化催化剂的基体169

5.3.1 引言169

5.3.2 汽车催化剂基体的要求169

5.3.3 汽车催化剂蜂窝独居石载体的设计170

5.3.4 催化剂基体的大小170

5.3.5 汽车催化剂载体物理性质171

5.4 汽车催化剂基体进展177

5.4.1 陶瓷蜂窝独居石177

5.4.2 基体小结181

5.5 汽车尾气催化转换器包装182

5.5.1 包装设计182

5.5.2 机械耐用性185

5.5.3 热耐用性186

5.6 催化转换器操作和不同类型催化剂188

5.6.1 操作对催化转换器效率和排放的影响188

5.6.2 毒物效应190

5.6.3 汽车引擎的启动排放190

5.6.4 电加热催化剂191

5.6.5 耐高温TWC催化剂的发展192

5.6.6 低温度点火催化剂192

5.6.7 天然气引擎尾气净化催化剂193

5.6.8 摩托车辆尾气净化催化剂193

5.7 车载诊断和贫燃脱NOx催化剂194

5.7.1 车载诊断194

5.7.2 贫燃操作脱NOx催化剂195

5.7.3 NOx存储和释放198

5.7.4 NSR催化剂199

5.7.5 使用尿素的选择性催化NOx的还原催化剂200

5.7.6 其他贫燃DeNOx催化剂202

5.7.7 双功能贫燃DeNOx催化剂202

5.8 汽车尾气催化转换器的数学模型204

5.8.1 独居石反应器模型层次的选择204

5.8.2 单一通道层次数学模型205

5.8.3 1D，2D和3D模型207

5.8.4 动态／瞬态行为模拟210

5.8.5 催化转换器的点火和累积排放210

第6章 柴油机尾气的净化212

6.1 引言212

6.1.1 柴油烟雾生成212

6.1.2 柴油机颗粒排放物的环境和健康效应213

6.1.3 控制柴油机排放物的策略215

6.2 干柴油机烟雾氧化催化剂217

6.2.1 除烟雾的非催化方法217

6.2.2 柴油尾气氧化催化剂218

6.2.3 直接接触柴油机烟雾氧化催化剂220

6.2.4 燃料-承载催化剂221

6.3 柴油烟雾氧化的间接接触催化剂222

6.3.1 引言222

6.3.2 连续再生阱（continuous regeneration trap，CRT）技术223

6.3.3 在柴油引擎中NOx的控制224

6.4 柴油尾气颗粒过滤器的设计／大小226

6.4.1 引言226

6.4.2 性能要求226

6.4.3 过滤器组成和微结构227

6.4.4 池构型和阻塞方式227

6.4.5 过滤器大小和外廓229

6.4.6 压力降229

6.5 物理性质和耐用性232

6.5.1 物理性质232

6.5.2 热耐用性233

6.5.3 机械耐用性234

6.6 柴油机过滤器进展234

6.6.1 改进堇青石“RC 200/19”过滤器234

6.6.2 SiC过滤器235

6.6.3 新过滤器设计236

6.7 应用237

6.7.1 催化诱导再生阱237

6.7.2 连续再生阱237

6.7.3 组合连续再生阱和催化再生阱238

6.8 总结239

第7章 固定源VOCs污染物的催化氧化分解240

7.1 引言240

7.1.1 挥发性有机碳VOCs对环境和健康的危害240

7.1.2 VOCs排放物的潜在源头240

7.2 VOCs净化技术241

7.2.1 热焚烧242

7.2.2 化学淋洗（吸收）242

7.2.3 吸附242

7.2.4 挥发性有机化合物的气相催化氧化242

7.2.5 挥发性有机化合物的凝聚243

7.2.6 挥发性有机化合物的光氧化243

7.2.7 对各种净化技术的思考比较243

7.3 挥发性有机化合物氧化催化剂和载体243

7.3.1 引言243

7.3.2 挥发性有机化合物的催化氧化243

7.3.3 VOCs氧化催化剂的活性组分245

7.3.4 VOCs氧化催化剂的载体及其结构245

7.3.5 催化剂的失活246

7.4 VOCs气相催化氧化工艺246

7.4.1 引言246

7.4.2 带预热交换器的单一床层247

7.4.3 带再生热交换的多床层循环操作248

7.4.4 反应器模型248

7.4.5 正常操作期间249

7.4.6 启动期间249

7.4.7 温度均匀性和热剪应力249

7.4.8 保护床层250

7.5 VOCs催化氧化单元操作中的一些事情250

7.5.1 环境和安全250

7.5.2 在爆炸低限（LEL）以下操作250

7.5.3 燃烧器的安全系统250

7.5.4 操作压力250

7.5.5 气流卷流和床层堆束出口速度251

7.5.6 催化剂分散处理251

7.5.7 催化氧化器的残留排放251

7.5.8 中间工厂试验252

7.6 挥发性有机化合物排放物的吸附：催化氧化前的浓缩步骤252

7.6.1 固定床吸附器252

7.6.2 旋转吸附器和其他移动床构型252

7.6.3 吸附和焚烧组合于单一个固定床中253

7.6.4 VOCs氧化的吸附-催化流向转换工艺253

7.7 VOCs催化氧化技术的实例研究254

7.7.1 含氯挥发性有机物的催化氧化分解254

7.7.2 纤维催化剂应用254

7.7.3 在憎水锰钾矿型八面分子筛上的苯氧化256

7.7.4 邻二甲苯在铂-和钯-沸石催化剂上的氧化256

7.7.5 使用钙钛矿作为VOCs的氧化催化剂256

7.7.6 高温短接触时间VOCs催化焚烧器257

7.7.7 VOCs脱结构的整体催化／吸附过程257

7.7.8 在金／铈氧化物催化剂上的VOCs氧化257

7.7.9 贵金属／天然丝光沸石上的VOCs氧化258

第8章 固定源氮氧化物的脱除262

8.1 引言262

8.2 SCR过程263

8.2.1 SCR化学-氮氧化物的选择性催化还原263

8.2.2 SCR催化剂活性组分264

8.2.3 发电厂烟道气净化SCR反应器的构型265

8.2.4 气体透平应用的SCR过程（GTNO.）266

8.3 商业独居石型SCR催化剂268

8.3.1 本体和涂层蜂窝型催化剂268

8.3.2 板型催化剂269

8.3.3 其他催化剂270

8.3.4 SCR催化剂的失活270

8.4 独居石催化剂的催化行为和SCR反应的动力学271

8.4.1 操作变量的影响271

8.4.2 SCR反应的机理272

8.4.3 SCR反应的稳态动力学273

8.4.4 脱NO2反应的非稳态动力学274

8.4.5 独居石催化剂中SCR反应的内外传质限制275

8.5 SCR独居石反应器的模型276

8.5.1 SCR独居石反应器的稳定态模型277

8.5.2 脱NOx反应和SO2氧化间的相互作用279

8.6 SCR催化剂和反应器设计279

8.6.1 催化剂形貌的影响279

8.6.2 独居石通道几何形状的影响280

8.6.3 氨入口浓度不均匀性的影响281

8.7 SCR催化剂的非稳定态操作281

8.7.1 非稳定态条件下的SCR独居石反应器模型282

8.7.2 逆流SCR284

8.7.3 使用Ljungstroem空气加热器的SCR285

8.8 SCONOx工艺285

第9章 低NOx排放的催化燃料燃烧289

9.1 引言289

9.1.1 燃烧产生排放289

9.1.2 排放物消除策略290

9.1.3 气体透平291

9.1.4 低NOx燃烧器292

9.2 催化燃烧292

9.2.1 机理和动力学293

9.2.2 独居石催化燃烧器模型294

9.2.3 燃料效应295

9.2.4 催化燃烧的其他应用296

9.3 催化燃烧器297

9.3.1 催化燃烧室297

9.3.2 要求297

9.3.3 系统构型298

9.4 催化材料300

9.4.1 引言300

9.4.2 独居石基体301

9.4.3 涂层材料302

9.4.4 活性组分303

9.5 商业状态和未来趋势303

9.5.1 商业状态303

9.5.2 未来趋势304

第10章 催化结构过滤器净化炉气305

10.1 引言305

10.1.1 多功能反应器305

10.1.2 催化过滤器：基本概念305

10.2 高温无机过滤器市场306

10.3 催化过滤器的制备308

10.4 催化过滤器的应用机遇310

10.4.1 耦合NOx还原和飞灰过滤310

10.4.2 同时滤去飞灰、移去二噁英和其他VOCs313

10.4.3 合成气净化315

10.4.4 柴油尾气处理和其他潜在应用316

10.5 工程和模型318

第11章 结构催化剂和反应器的其他应用320

11.1 平行流反应器（PPR）和横流反应器（LFR）的工业应用320

11.1.1 Shell炉气脱硫过程（SFGD）320

11.1.2 硫和氮氧化物同时移去321

11.1.3 低温NOx还原过程321

11.2 结构催化剂应用于改进室内空气质量322

11.2.1 室内空气的污染源322

11.2.2 室温分解臭氧的散热器催化剂322

11.2.3 独居石光催化剂323

11.3 结构催化剂应用于催化传感器328

11.4 质子交换膜燃料电池中的结构催化剂329

11.5 催化湿式氧化（CWAO）降解水污染物329

11.5.1 引言329

11.5.2 催化剂331

11.5.3 CWAO工艺过程333

11.5.4 独居石催化剂和反应器在CWAO过程中的应用334

11.5.5 水补救技术336

11.6 光催化降解水中污染物339

11.6.1 半导体光催化基础339

11.6.2 光催化降解催化剂341

11.6.3 光化学反应器342

11.7 结构催化剂的合成应用344

11.7.1 引言344

11.7.2 独居石催化剂在短接触时间反应器中的应用344

11.7.3 独居石催化剂在需求低压力降反应中的应用345

11.7.4 独居石催化剂在粒内传质控制反应中的应用347

11.7.5 有良好热传导的独居石催化剂348

11.7.6 独居石催化剂在三相催化过程中的应用350

11.7.7 独居石反应器在生物技术中的应用352

11.8 无机膜的应用354

11.8.1 离子传输膜的应用354

11.8.2 致密Pd膜和合金膜的应用358

11.8.3 沸石膜的应用359

参考文献360