本科毕业翻译低温催化氧化相关.docx

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本科毕业翻译低温催化氧化相关

Low-temperaturecatalyticoxidationofaldehydemixturesusingwoodflyash:

Kinetics动力学,mechanism,andeffectofozone

使用木飞灰对乙醛混合物进行低温催化氧化：

动力学、反应机理和臭氧影响的研究

作者：

PraveenKolara,JamesR.Kastnerb

A.BiologicalandAgriculturalEngineering,Box7625,WeaverLabs,NorthCarolinaStateUniversity,RaleighNC27695-7625,UnitedStates

A.美国北卡罗来纳州州立大学罗利NC27695-7625号，威乌尔实验室，生物和农业工程7625信箱

B.AirPollutionEngineeringLaboratory,505DriftmierEngineeringCenter,BiologicalandAgriculturalEngineering,TheUniversityofGeorgia,Athens,GA30602,UnitedStates

B.美国乔治亚大学雅典GA30602号，生物与农业工程505Driftmier工程中心，空气污染工程实验室

Abstract

Poultry家禽rendering致使emissionscontainvolatile挥发性的organiccompounds（VOCs）thatarenuisance讨厌的东西，损害,odorous难闻的,andsmogandparticulatematterprecursors先驱，前导.Presenttreatmentoptions,suchaswetscrubbers使净化,donoteliminateasignificantfractionoftheVOCsemittedincluding,2-methylbutanal甲基丁醛（2-MB）,3-methylbutanal异缬草醛,andhexanal正己醛.Thisresearchinvestigatedthelow-temperature（25–160℃）catalyticoxidationof2-MBandhexanalvaporsinadifferential微分的，差别的，特异的,plug插入flowreactor流动反应器usingwoodflyash（WFA）asacatalystandoxygenandozoneasoxidants.Theoxidationratesof2-MBandhexanalrangedbetween3.0and3.5×10-9molg-1s-1at25℃andtheactivationenergieswere2.2and1.9kcalmol-1,respectively.ThecatalyticactivityofWFAwascomparabletoothercommerciallyavailablemetalandmetaloxidecatalysts.WetheorizethatWFAcatalyzedafreeradicalreactioninwhich2-butanone丁酮andCO2wereformedasendproductsof2-MBoxidation,whileCO2,pentanal正戊醛,andbutanal正丁醛wereformedasendproductsofhexanaloxidation.Whentestedasabinary二元的mixtureat25and160℃,noinhibition抑制wasobserved.Additionally,whenozonewastestedasanoxidantat160℃,100%removalwasachievedwithina2-sreactiontime.TheseresultsmaybeusedtodesigncatalyticoxidationprocessesforVOCremovalatpoultryrenderingfacilities设施，设备andpotentially可能地、潜在地replaceenergyandwaterintensive加强的，集中的airpollutiontreatmenttechnologiescurrentlyinuse.

摘要

家禽排泄物是对人有损害的、难闻的物质，它是烟雾和细小颗粒物的前身，包含挥发性有机化合物（VOC）。

当前的处理方式，比如湿净化法，不能有效消除排放的VOC中一些重要的部分，包括甲基丁醛、异缬草醛和正己醛。

本实验研究了在特异的流动反应器中甲基丁醛和正己醛蒸汽的低温（25–160℃）催化氧化。

其中使用木飞灰做为催化剂，氧气和臭氧做为氧化剂。

25℃时甲基丁醛和正己醛的氧化率范围为3.0和3.5×10-9molg-1s-1，二者的活化能分别为2.2和1.9kcalmol-1。

木飞灰（WFA）的催化活性不亚于其他商业可获得的金属和金属氧化物催化剂。

我们推理WFA催化了一个自由基反应，在此反应中，丁酮和CO2做为甲基丁醛氧化的终产物得以形成，而CO2、正戊醛和正丁醛做为正己醛氧化的终产物得以形成。

当在25和160℃进行二元混合物测试时未发现抑制作用。

此外，当在160℃下以臭氧做为氧化剂进行测试时，在2秒的反应时间内实验就达到了100%的去除率。

这些结果可用来设计家禽设施中VOC去除的催化氧化过程，并有可能代替现在使用的能量和水消耗多的空气污染处理技术。

1.Introduction

1.引言

Manyindustrialoperationsgeneratealdehydes乙醛asairpollutants（Baumannetal.,2000;Fullanaetal.,2004）.Forexample,3-methylbutanal（3-MB）,2-methylbutanal（2-MB）,andhexanalaregeneratedinpoultryrenderingoperationswhenanimalby-productsareprocessed（KastnerandDas,2002）.Thealdehydesareodorous（Breweretal.,1999）,andcontributetoatmosphericozoneandparticulatematterformation.Typically,chemicalwetscrubbersareusedtotreataldehydesandothervolatileorganiccompounds（VOCs）byoxidizingthemwithchemicaloxidants,suchasClO2and/orO3（KastnerandDas,2005）.However,on-siteanalysisofthewetscrubbersindicatedlowremovalefficiencieswhentreatingaldehydes（typically<50%）,duetolackofreactivitybetweenthealdehydesandClO2（Kastneretal.,2003）.

许多工厂产生空气污染物乙醛。

例如，在动物副产物处理过程中家禽设施中会产生异缬草醛、甲基丁醛和正己醛。

乙醛很难闻，并且会导致大气臭氧和细小颗粒物的形成。

特别地，化学湿净化法被用来处理乙醛和其他挥发性有机化合物，用诸如ClO2和/或O3做为化学氧化剂来氧化这些成分。

但是，现场的湿净化法分析在处理乙醛时显示了较低的去除率（通常小于50%），这是因为乙醛和ClO2之间缺乏相互作用。

Traditionaltreatmenttechnologiessuchasadsorption吸附,incineration焚烧，烧灼灭菌,andbiologicalfiltration筛选havelimitations（Tsouetal.,2003）.AdsorptiononlytransfersandconcentratestheVOCsfromagasphaseontoasolidphaseandneedsfurthertreatmentforcompleteremoval（EveraertandBaeyens,2004）.IncinerationrequirescombustionoftheVOCsathightemperatures（1000–1200_C）usingnaturalgasasafuelsource,iscostlyandcontributestogreenhousegasproduction（GervasiniandRagaini,2000）.Biologicalfiltrationsystemsneedlongresidencetimes（30–60s）andthushavelargefootprints.Hence,aneffectivealternativetechnologyisneededtotreatthealdehydefractionfromrenderingemissions.

传统的处理技术，例如吸附、焚烧和生物过滤都有局限性。

吸附只是将VOC从气相中转移和浓缩到了固相上，要想完全除去需要进一步的处理。

焚烧需要在很高的温度下（1000-1200℃）使用天然气做为燃料对VOC进行燃烧，这种方法成本高并且会产生温室气体。

生物过滤系统需要很长的停留时间（30-60秒），因此会有大量的印记。

所以，需要研究一种有效的可替换的技术来处理排放物中的乙醛。

CatalyticoxidationisapromisingalternativetechnologytotreatVOCs（GervasiniandRagaini,2000）.TheprocessinvolvesreactionbetweenVOCsandanoxidant,aidedbyacatalyst.Catalystsloweroxidationtemperaturesbyprovidingalternateroutestoendproducts,whoseactivationenergiesarelessthanthatofnon-catalyticreactionsandtypicallyincreasereactionrates.Loweringthereactiontemperaturelowerstreatmentcostsandreducestheproductionofgreenhousegases.Expensivemetals（e.g.,gold,platinum）andmetaloxides（e.g.,nickeloxide,ruthenium,etc.）havebeentestedascatalystswithahighdegreeofsuccess.However,researchhasbeenlimitedonthedevelopmentofcatalystsfrominexpensivematerials,especiallysolidwastes.

催化氧化技术是一种很有前景的可用来替换的处理VOC的技术。

处理过程为在催化剂辅助的条件下VOC和氧化剂进行反应。

催化剂通过提供比非催化剂过程所需活化能低的途径来使得氧化温度降低并能增加反应速率。

降低反应温度可以降低处理成本且减少温室气体的产生。

将贵金属和金属氧化物做为催化剂的实验已经有很高的成功率。

但是，有关从非贵金属材料，尤其是固体废弃物得到催化剂的实验还很有限。

Manysolidwastesourcescontainmetalsormetaloxidesofsufficientsurfaceareatobereused再生的，重复利用ascatalysts（Kloseetal.,2000）.Woodflyash（WFA）,asanexample,isproducedinlargeamountsintheUSA（5.5Mty-1）,withamajoritylandfilled（Demeyeretal.,2001）.AnalysisofWFArevealedcrystalline透明的，水晶般的phasesofmetaloxides（magnetite磁铁矿andhematite赤铁矿）andactivatedcarboninitsstructure.WFAcatalytically催化地oxidizesH2SusingO2,andoxidizesvolatileorganicsulfurcompoundsandpropanal正丙醛,inthepresenceofozone（Kastneretal.,2005,2008）.

很多固体废弃物含有表面积很大的金属或金属氧化物，可以重复利用做催化剂。

例如WFA，在美国产量很大（5.5Mty-1），绝大多数地方都有。

对WFA的分析显示了金属氧化物（磁铁矿和赤铁矿）的透明质地以及它的构造里的活性炭。

在臭氧存在的条件下，用O2对H2S进行WFA催化氧化，对挥发性有机硫化合物和正丙醛进行氧化。

Additionally,WFAcatalyticallyoxidizes3-MBatroomtemperatureviaafreeradicalmechanism（Kolaretal.,2007）.However,acompletecarbonbalanceonthereactionswasnotperformedanditisunclearifcompleteoxidationoccurred.Additionally,thisworkfocusedonsinglealdehyde乙醛（3-MB）oxidation,wheninreality,renderingemissionsconsistofaldehydemixtures,makingitdifficulttopredictthecatalyticperformancebasedonasinglecompound.

Hence,itiscriticaltoevaluateWFAasalow-costcatalysttotreataldehydemixturesnormallyencounteredinrenderingemissions.TheobjectivesofthisstudyweretoevaluateWFAasalow-costcatalystfortreatingabinary二元的aldehydemixtureatlow-temperatures（25–160_C）,determinethekinetics动力学ofoxidationreactionsandactivationparameters参数,identifyandquantifytheoxidationproducts,performacompletecarbonbalance,anddeterminetheeffectofozoneontheoxidationprocesses.

另外，在室温下WFA通过一个自由基反应催化氧化异缬草醛。

但是此反应并未显示完全的碳平衡，且尚不清楚是否进行了完全氧化。

此外，本实验是基于单乙醛氧化的，而实际上排放物是由醛混合物组成的，这使得基于单组份的实验难以预测其催化效果。

因此，评估WFA做为低成本催化剂来处理排放物中常见的醛类混合物是很重要的。

本实验的目的就是对WFA做为一种低成本催化剂在低温条件下（25–160℃）处理二元的醛混合物进行评估，确定氧化反应的动力学原理和活化参数，识别和量化氧化产物，形成完全的碳平衡，以及确定臭氧对氧化过程的影响。

2.Experimental

2-MBandhexanal（95%,Sigma–Aldrich）wereusedasrepresentativealdehydes醛类inthisstudybecauseoftheirconsistentoccurrenceinpoultryrenderingemissions（KastnerandDas,2002）.

2.实验

本实验使用甲基丁醛和正己醛（95%）做为代表性的醛类，因为它们在家禽排放物中是不断产生的。

2.1.WFAcharacterization

TheWFAusedinthisstudywasobtainedfromapapermill造纸厂.Thephysicalandchemicalproperties性能weredeterminedpreviously（Ko-laretal.,2007）.Inthisstudyascanningelectronmicroscope（SEM）wasusedtoimagetheWFAandenergydispersive分散的spectroscopy（EDS能量色散谱，能谱分析仪）usedtodeterminetheelementalcompositionoftheashparticlesurface（seeSupplementalmaterial（SM）.SM1.1）.

2.1WFA的表征

本实验使用的WFA是从一个造纸厂获得的。

其物理和化学性能已提前确定。

本实验使用了扫描电镜（SEM）来形成WFA的图像，使用能谱分析仪（EDS）来确定飞灰颗粒表面的元素组成（看补充材料）。

2.2.Descriptionofexperimentalsetupandanalyticalmethods

Allgas/solidphasereactionswerecarriedoutina30-cmlong,2.5-cmdiameter（ID）continuousflow,differentialpacked-bedreactorsystem,asdescribedpreviously（Kastneretal.,2005andSM1.2–1.3）.Acombinationofgaschromatographsequippedwithmassselective质谱仪andflameionizationdetectors火焰离子化检测器wereusedforanalysisonthereactantsandendproducts.

2.2实验装置的描述及分析方法

如之前描述的一样，所有的气相/固相反应都是在一个长30cm直径2.5cm不断流动的反应体系中进行的。

使用气相色谱-质谱联用仪和火焰离子化检测器来分析反应物和终产物。

2.3.Generalexperimentalprocedures

Wedeterminedthekineticsofindividualaldehydes,kineticsofabinarymixture,theeffectoftemperature,andtheeffectof1500ppmvozoneonoxidationof2-MBandhexanal.Thetotalflow

fortheentirestudywasbetween2.0and5.0Lmin-1（GHSV=0.0011–0.0055h_1）.Forstudiesinwhichairwasusedasanoxidant,theratioofoxygentosubstrate基质，基片，酶作用物rangedbetween525:

1and10000:

1.Similarlyforexperimentswithozoneasanoxidanttheratiorangedbetween3.75:

1and5:

1.DetailedexperimentalproceduresareoutlinedintheSM1.4–1.6.

2.3实验过程

我们进行了单组份醛的动力学研究、二元醛混合物的动力学研究、温度、1500ppmv臭氧对甲基丁醛和正己醛氧化的影响。

整个实验总体流量在2.0到5.0Lmin-1之间。

在以空气作为氧化剂的实验中，氧气与基质的比从525:

1到10000:

1不等。

同样地，在以臭氧作为氧化剂的实验中，这种比例从3.75:

1到5:

1不等。

详细的实验过程在补充材料1.4-1.6上。

3.Resultsanddiscussion

3.1.Effectofoxygenandevidenceofcatalyticactivity

Preliminaryexperimentswereconductedtodeterminetheeffectofoxygenoncatalyticoxidationofaldehydes.Whenultra极端的highpurehelium氦气（5Lmin-1,25_C）wasusedasthecarriergas（nooxygenpresent）,fractionalremovalof2-MBwaslimitedto2%whichwasprobablyduetosampl