郝吉明：控制氮氧化物排放是改善空氣質(zhì)量關(guān)鍵
中國許多城市目前正遭受著嚴(yán)重的空氣污染，而氮氧化物被認為是導(dǎo)致空氣污染的罪魁禍?zhǔn)住Ｔ蛟谟，氮氧化物排放造成的二次污染可以產(chǎn)生多種環(huán)境影響：酸沉降、水體富營養(yǎng)化、臭氧、PM2.5、氣候變化……
“因此，NOx（氮氧化物）排放控制是改善我國環(huán)境空氣質(zhì)量的關(guān)鍵。”近日，中國工程院院士、清華大學(xué)教授郝吉明在貴陽“第七屆全國環(huán)境化學(xué)”大會報告上如此表示。
氮氧化物主要來自電廠燃煤煙氣和汽車尾氣。郝吉明說，僅通過鍋爐優(yōu)化燃燒和機內(nèi)凈化控制氮氧化物遠不能滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，“而選擇性催化還原（SCR）氮氧化物為氮氣是最有效的凈化方法”。
該方法要用到脫硝催化劑——其功能在于促使還原劑選擇性地與煙氣中的氮氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。郝吉明說，關(guān)鍵在于高效低成本脫硝催化劑的設(shè)計，目前該領(lǐng)域主要聚焦在“高性能催化體系設(shè)計和復(fù)雜環(huán)境下技術(shù)適應(yīng)性”兩個方面。
SCR催化劑可以分為金屬氧化物和分子篩兩類催化劑，前者主要應(yīng)用于燃煤煙氣脫硝，后者用在柴油車尾氣氮氧化物控制。
郝吉明說，我國燃煤煙氣脫硝主流技術(shù)為NH3-SCR，但這一技術(shù)存在高溫選擇性差、抗中毒能力弱、工作溫度窗口窄等問題，難以滿足我國電廠復(fù)雜煙氣排放特征（高灰高鈣高硫），及不同負荷寬工作溫度下脫硝的需求。
而影響催化劑選擇性及抗中毒和溫度窗口的關(guān)鍵因素是脫硝催化劑的氧化還原性和酸性。
因此，郝吉明提出通過合理調(diào)控催化劑的氧化還原性和酸性，設(shè)計新的催化劑體系，從而最終解決上述難題的思路。
我國2003年前建設(shè)的電廠，由于沒有預(yù)留脫硝空間，煙氣脫硝裝置被安裝在除塵或脫硫之后，此時煙氣溫度已經(jīng)降到200℃以下。要在如此低溫條件下，將氮氧化物還原為氮氣，對國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都是一個挑戰(zhàn)。
郝吉明認為，解決這一問題的關(guān)鍵，仍然是探索新的活性組分。由于錳具有很好的低溫活性，研究人員將二氧化錳應(yīng)用到低溫脫硝領(lǐng)域，最終發(fā)明了錳鈰錫三元復(fù)合氧化物催化劑體系。目前該團隊已完成了從原材料到脫硝催化劑制造的整個產(chǎn)業(yè)鏈工作，相繼完成了小試、中試和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用全過程。
在分子篩研究方面，當(dāng)前國際上主要聚焦在小孔高硅CHA分子篩上。郝吉明研究團隊發(fā)現(xiàn)，Cu/CHA分子篩具有優(yōu)異的脫硝活性和氮氣選擇性，銅含量的增加會有效提高低溫活性，且具有優(yōu)異的抗水熱老化和抗積碳能力，成為柴油車尾氣凈化的關(guān)鍵催化材料。
郝吉明說，下一步需要對不同排放源的氮氧化物開展污染控制，但關(guān)鍵的脫硝催化劑材料研究及應(yīng)用仍然面臨著三個方面的挑戰(zhàn)。
一是再生及廢棄催化劑如何資源化利用。“十二五”期間將大規(guī)模安裝脫硝裝置，脫硝催化劑市場良莠不齊，很難保證所有的脫硝催化劑都能夠達到設(shè)計壽命，所以脫硝催化劑壽命和穩(wěn)定性仍然是一個挑戰(zhàn)。此外，將來大量的廢舊催化劑如何再利用是下一階段的研究課題。
二是推動煙氣多污染物的協(xié)同控制。零價汞是全球性的大氣污染物，燃煤煙氣是汞的主要排放源之一，燃煤煙氣汞的排放控制成為需要迫切解決的問題，研究如何能夠在高效脫硝的同時氧化汞。
三是研發(fā)高效低成本分子篩脫硝催化劑。對于柴油車尾氣中氮氧化物控制，雖然小孔分子篩負載銅的催化劑體系具有良好的脫硝性能及高熱穩(wěn)定性和抗積碳特性，但針對國內(nèi)的劣質(zhì)柴油，仍然需要解決催化劑的抗硫性能。
此外，替代燃料車尾氣排放控制也面臨難題。含氧替代燃料會造成尾氣中氮氧化物排放量增加，提高了脫硝難度；不同燃料車尾氣中非常規(guī)污染物（醛類、酸類等）的排放和危害也成為環(huán)境化學(xué)家必須關(guān)注的問題。
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