1.2　污染物的催化治理——环境催化

1.2.1　引言

由于人们越来越认识到环境污染给人们生活质量带来的巨大影响甚至危机，环境问题已经成为国际上的热点和焦点问题之一。在世界各国领导人会议上提出了不少消除污染物和保护环境的战略，如可持续发展战略、绿色低碳化战略。各国政府也采取了很多具体措施来保护环境和治理污染，我国当然也不例外。

在我国，最近的几届政府大力倡导循环经济策略，就是要把废物（甚至是污染物）转变成可以利用的资源，要求生产过程不向环境排放任何废物（污染物）。许多大的企业如冶金和石化企业已经在大力推行循环经济。其次是大力倡导绿色化，即倡导对人体健康和环境无害的活动，使生产企业尽可能不向环境排放有害的污染物。例如，发电厂和内燃机行业（主要是交通运输行业）通过内燃机的设计改进，使尾气中排出的污染物有了显著的降低。在化学工业中大力倡导绿色化学，就是从源头上控制有害物质的产生、使用和排放，达到可持续发展的目标。

但是，要生产和生活且是高质量的生活，肯定需要消耗资源，特别是能源。这样的消耗过程是不可能不产生废物的，它们被排入环境就成为环境的污染物。虽然搞循环经济和绿色化生产，尽了最大努力来降低污染物的排放量，但仍然有废弃物产生和排放，因此废弃物或污染物的后处理对保护环境是必不可少的。

污染物的后处理过程主要使用化学过程，目前已经发展成为一个产业，也即环境保护工业。其中最关键的是使用催化过程来处理污染物，因此催化技术在污染物治理和环境保护中起着至关重要的作用。

1.2.2　污染物治理的催化技术——环境催化

高效催化剂和催化反应工程是提高效率、节约能耗和减少废物包括废气、废液和固体废物排放的重要的手段和方法之一。为了达到节约能量、提高效率和降低废物排放的目标，需要利用已经开发的高效催化剂通过催化反应动力学和催化反应过程中发生的传递过程规律设计出最能发挥催化剂效果的催化过程和催化反应器，也就是要以最小的能量消耗获得最高的经济效益。这说明，催化剂和催化反应工程不仅是为节能降耗而发展的，而且也是为了降低废物排放而发展的。能量的节约也就意味着污染物特别是二氧化碳排放的减少，达到环境保护的目的，这正是当前低碳经济所大力倡导的。污染物治理过程中发展的催化剂和催化过程促进了新型的环境催化技术的发展。

现在在环境工业领域中大量使用着催化反应和催化过程。有关污染物的排放，其中特别应该重视的是汽车尾气排放，它已经成为城市空气污染物的最大来源，导致它成为现今社会和人们非常关注的环境污染问题。据统计世界上的汽车从20世纪40年代的4亿辆增加到21世纪初的7亿辆，现在已经超过10亿辆。汽车使用大量液体燃料的燃烧来产生驱动的能量，不完全高温燃烧使排出的尾气中含有许多对环境和人体健康有害的污染物。最近的数据指出，我国一亿多辆车辆排放的污染物总量达到每年五六千万吨，这会导致城市空气被严重污染。现在在每辆汽车上都装有能把其污染物转化掉的汽车尾气净化器，使用的是所谓三效催化剂，也就是能够同时转化尾气中的一氧化碳、烃类气体和氮氧化物成为无害的二氧化碳、水蒸气和氮气的催化剂。目前净化汽车尾气的催化剂的生产量、消耗量以及销售量已经远超传统的炼油和石油化工催化剂，成为最重要和销售额最大的催化剂。汽车尾气净化器之所以能够如此有效和实用，一个很重要的原因是使用了结构催化剂（也可称为结构反应器）。结构催化剂或结构反应器对污染物治理和环境保护是非常有效和最广泛使用的。这类环境保护催化剂除尾气净化催化剂外，还包括燃煤电厂中使用的脱SOx和NOx催化剂、有机废气完全燃烧催化剂、处理水中污染物的湿式氧化催化剂以及快速发展中的光催化剂等。环境治理问题与一般化学工业生产不同，要处理的污染物浓度一般比较低，但其量却非常大，因此环境治理所使用的催化剂和反应器必须满足一些特别的要求。例如，对汽车尾气净化催化剂，需要满足不影响汽车发动机输出功率和运行（这要求很低的压力降和大的空速），同时能够适应处理气体的多变化（包括流量、流速、温度和污染物浓度）。所以，治理环境的催化剂一般需要使用结构催化剂或结构反应器。

催化是环境治理中的关键技术，能够为许多环境问题提供现实的解决办法和重要的市场机遇。现时催化剂的世界市场研究投入预计远超过100亿美元，其中约三分之一用于环境催化剂（主要是汽车尾气净化催化剂）。对环境催化领域增长，预测的增长率也是高的。1999年的美国NIST“催化和环境催化的白皮书”指出，环境催化是美国5个顶尖工业领域之一，是技术挑战和经济利益的组合。此外，在环境催化领域出现了多个关键新兴科学平台，预计它们会对工业界产生大的影响。

环境催化一般是指降低和消除环境不可接受化合物排放的催化技术。使用催化洁净技术能够解决的问题包括移动源排放控制、固定源NOx移去、硫化合物和VOC（挥发性有机化合物）转化、液体和固体废物处理（聚合物或其他固体废物）、温室气体消除或转化。环境催化也包含了催化在新生态——兼容炼制、化学或非化学催化过程中的应用，废物最小化催化技术和生成有价值产品且不产生不希望的污染物的新催化路线。能量-有效催化技术，例如催化燃烧、燃料电池中的催化、使用可再生能源如太阳能和生物质能的催化装置、降低运输对环境影响中的催化等，不仅仅应用于控制排放物，而且也应用于改进引擎内燃烧、散热器催化脱臭氧等，以及生成新燃料的炼制工业，如生产超低硫燃料、提炼重油或提炼无法使用的馏分生产清洁燃料等。因此，也能够被包括在环境催化定义之内。使用环境催化剂的其他领域还有界面友好技术，如智能或自清洁材料、室内污染物清除技术（如臭氧转化、甲醛等有机污染物净化以及光催化抗菌空气净化等）、专用脱污染催化技术（如土壤和水修复技术）和防治和消毒被军事行动污染的区域和毒物。最后，在环境催化中也包括消除催化剂自身的使用或分散给环境带来的影响。

20世纪80年代，因环境催化的日益重要和发展，日本首先召开了环境催化会议，接着国际上也召开了环境催化会议。我国在1998年由浙江大学催化研究所发起召开了第一次环境催化会议，到2013年已经召开了8届，参加环境催化会议的人数从第一届的70～80人增加到近500人，说明环境催化在我国日益得到重视和快速发展，其内容涉及几乎所有的环境催化领域。

净化排放污染物的催化技术，例如消除来自移动或固定源的NOx或SOx以及VOC控制，是环境催化的主要传统领域。该领域是环境催化研究的一个主要目标，仍然在进行不断的努力。近些年来，聚焦的主要领域包括：①能够在贫燃和柴油机排放物中移去NOx催化剂的试验和发展；②催化燃烧催化剂的试验和发展；③移去VOC催化剂的试验和发展。目标主要是阐明反应机理和确证活性位性质。对非稳态行为了解的重要性在不断增加，其重点是三效催化剂（TWCs）中氧存储组分的行为和在NOx存储-还原（NOxSR）中催化剂行为的关键作用，这能够为移去轻载卡车柴油引擎排放物中的NOx提供最可行的解决办法。与常规“稳态”催化剂不同，这类催化剂连续工作在进料组成从贫燃（此时NOx以硝酸盐形式存储在催化剂上）到富燃（此时存储的NOx物种被尾气中的H2、CO和烃类还原为N2）的周期性变化之中。

在NOxSR催化剂中包含的一个有意思的概念是，使用了既有吸着功能又有催化功能的双功能催化材料，并能够在这两个功能之间进行周期性的切换，利用该概念的一个例子是使用沸石基催化剂在旋转设备中移去VOC，这是气体排放污染物脱除过程的典型例子。由于排放物中的VOC浓度低，温度低有利于其在沸石上的吸附，吸附一定时间后进行切换，温度高有利于沸石剂催化剂显示其催化功能。把大体积排放物加热到催化剂的活性温度成本是非常高的，而VOC浓度过低时其燃烧热是不能够维持脱除过程所需要的温度的。一个解决方法是使用涂渍有沸石催化剂的旋转独居石，当独居石与气体流接触时它作为吸附剂，而独居石的其余部分作为催化剂进行再生。该例子说明，由环境催化所开发的催化材料具有革新性和多功能性。上述概念的另一个例子是水中污染物的移去催化剂：Pd/活性炭床层一方面提供吸附含氯有机污染物；另一方面提供原位还原并周期性再生。

历史上，环境催化的初始领域主要是NOx的控制（移动和固定源）、硫和VOC的消除，这反映在第一次环境催化国际会议上，它们是占优势的主题。然而，随着时间的推移和环境技术的发展，科学兴趣逐渐从净化方法向其他主题转移，而新问题和新疑问不断催生催化净化技术领域中的新研究活动。主要推动力有三个：①环境催化技术需要从处理和净化气体排放污染物扩展到液体排放污染物和固体废物的处理；②对移动源污染物需要有新的处理技术和装置；③需要技术集成以及更有效的后处理技术。

总之，在过去几十年中，环境催化科技工作者感兴趣的和需要处理研究的领域都发生了显著变化。这暗示着需要再深入考察和研究环境催化的整个领域，以确定环境催化研究的未来方向和确证要解决的最关键问题，当然也需要进行广泛的基础和应用研究。

1.2.3　环境催化的非标准应用

催化在传统上是与化学和炼制工业密切相关的。处理汽车排放物的催化转化器是化学和炼制工业以外的首个催化的大体积应用，极大地贡献于催化对改进环境和生活质量的益处的知识的传播。近来，催化环境技术快速膨胀到若干新的领域，使催化有了新的机遇：①把传统催化原理扩展应用到很大范围的工业领域；②扩展到界面友好装置以改进生活和室内环境质量。

环境催化的应用领域除了前面所述的传统的消除环境污染物的标准领域外，其非标准应用的不断发展不仅有市场需要，而且开启了若干催化科学的基础和技术问题。环境催化的应用领域被形象地总结于图1-10中的环境催化树（原始思想来自于日本学者Misono教授）。环境催化应用的传统领域前面已经叙述过，主要包括各种车辆排放污染物的消除、工业固定源如各类发电设备、生物质燃烧锅炉和过程加工工业排放污染物的消除以及土壤的修复应用等。

环境催化的非标准应用则是更具兴趣的快速发展市场。非标准应用常常要求有更多的灵活性和为顾客的特定处理和低的装置单元成本。一些有意思的例子是：①涂渍有催化层的薄壁不锈钢板，应用作为氢复合器（用以避免大量氢气可能的释放带来爆炸危险）；同样的催化技术可应用于可充式电池、牙刷和其他家居产品，以及应用作为化学反应器的安全装置；②涂渍有催化剂的陶瓷蜂窝或金属环网，可应用作为自洁净家居炉灶（消除油脂滴、因热解产生的CO和有毒烟雾）；类似的催化技术可应用于“快速烹饪”家用炉灶、餐厅烧烤炉和其他需要改进空气质量的商业用户如面包店、水产业等；③涂渍有催化剂的散热器，用于把臭氧催化转化为氧气；相同或类似的催化技术可应用于过滤器或强制空气通风系统、飞机中的空气调节器管道、空调冷凝器或热泵上的特殊设备、喷气式飞机和办公室设备中的臭氧转化器等。

环境催化剂的非标准应用研究主要由催化剂生产公司进行，为顾客需求所推动。该领域中的学术需求通常是有限的，主要原因是缺乏特定研究的资金资助。因此，对特殊问题缺乏基础背景知识，而且也缺乏对可能的应用进行比较系统研究的通用方法。另一方面，公众对催化的潜在利益好处的敏感度也是低的。显然，环境催化剂的许多潜在应用领域尚未被开发，它们需要有公众的激励。

环境催化剂非标准应用的其他例子包括：使用错流通道独居石设计对烹饪过程产生的气味和烟雾进行控制，给出了对住户燃木锅炉催化净化的场地试验结果和表述烃类在不同二氧化钛催化剂上的光催化氧化行为等。在日本，正在对涂二氧化钛瓷砖在各种城市建筑如医院等和自净化高速公路隔声墙上的应用进行试验。TiO2光催化剂能够有效消除污染物且具有一定的抗菌作用。对使用Pt-SnO2/氧化铝催化剂的低温CO氧化催化行为也进行了探讨，最初源自于高功率CO2激光器产生痕量CO氧化（可见激光器使用二氧化碳来产生激光束，二氧化碳分子可能被分解为一氧化碳和氧，使激光器功率逐渐损失），但其应用逐步扩展到其他领域，如室温一氧化碳氧化净化室内空气（该类催化剂不仅对一氧化碳氧化有效，而且也对催化甲醛氧化有高活性）和安全装置（如使用CO的实验室等）。环境催化的非标准应用也包括气体面罩、潜艇放空系统和汽车尾气冷启动排放物的控制。低温一氧化碳氧化催化剂也被应用于质子交换膜燃料电池（PEFCs）中的氢气纯化。当氢气中的CO浓度超过约100×10-6时，燃料电池中Pt电极催化剂被中毒。而使用车载常规燃料如天然气、汽油或甲醇经蒸气或自热重整再经水蒸气变换反应生产的氢气中含约1％或更多的CO，需要使用有效的催化剂把一氧化碳氧化。显然该催化剂应该是高选择性的，以使氢气被氧化的量减至最小；而且必须能够抗二氧化碳和水蒸气中毒。负载贵金属催化剂，特别是负载在过渡金属氧化物上的金纳米粒子具有这方面的性能，并已经做了许多研究。

环境催化剂的非标准应用的其他例子有：①消除Cl2和HClO的水净化催化剂（负载于活性碳纤维上的MnO2）；②催化剪发器和杀蚊剂；③冰箱脱味剂；④室内催化燃烧器；⑤室外使用的催化点火器；⑥手提煤油加热炉和人体取暖器；⑦催化脱味系统（例如消除厕所中的气味）；等等。

这些例子很好地说明了环境催化如何把催化概念从化学/能源利用扩展到非化学、运输和日常生活利用（图1-10）。这个方面的重要性不仅开阔了催化的市场，而且对研究提出了新挑战。

1.2.4　环境催化的特征

环境催化与其他催化相比具有一些显著不同的特征：①与化学工业生产和炼制工业中所使用的催化技术不同，对环境催化通常必须要发展出能够在被上游单元确定的条件下有效操作的催化技术（也即能够调整和承受进料和反应条件的变化并显示最大活性或选择性）；②环境催化不仅能够在炼制和化学工业过程中找到应用，而且也能够对其他领域如电子、农业/食品、纸浆和造纸、皮革和制革、金属整理公司等产生的排放污染物进行处理，以及对由家居或室内应用如自净化催化炉、屋内燃烧炉、水净化器等和车辆、船舶和航空器排放的污染物进行控制。环境催化把催化概念从化学领域扩展到一般工业生产和日常生活领域；③环境催化剂的操作条件常常要比在化学工业和炼制中催化剂的操作条件更加极端，如非常低或非常高的温度、存在无法移去的毒物、非常高的空速、超低浓度等，有时也要求能够在不同进料范围或进料组成快速变化的条件下进行有效的操作。因此，环境催化要解决的是与一般非均相催化特性不同的问题，虽然它们使用的是通用知识背景。在环境催化领域已经和正在使用新型方法来解决其特殊问题，如使用结构催化剂和结构反应器。因此环境催化领域的特征在催化材料类和技术方面具有相当多的新鲜度，在环境催化领域的若干新发现也能够在催化的其他领域找到应用，因此环境催化对催化和工业所有领域的研究是一种推动力和刺激。

1.2.5　环境催化作为新发明的推动力

要把催化技术的使用范围扩展到传统领域之外以及环境技术中经常碰到的基本问题（即不可能任意选择和优化反应条件）都要受能量和进料条件和/或受上游单元确定条件的约束，这显然是告诉我们，付出的全新努力必须是以发展新催化材料、装置和解决办法为关键目标。很明显非均相催化以及其他工业部门所有领域将受益于这个全新的研究努力，而不仅仅是受益于环境催化的特殊领域。

例如，在化学合成中非均相催化通常使用的温度范围为200～500℃，而环境催化剂使用的温度要低很多（室温或更低的温度），如前述低温CO氧化催化剂和水净化技术或在某些氮氧化物或VOC催化净化体系中的反应温度很低，要加热这些大体积物流能耗极高。为应对低温催化活性的要求，需要发展高活性新催化组分或新制备方法，以便能够在低温下活化反应物或供应反应所需要的能量。在这个方向有了一些有意思的进展。例如，非热（低温）等离子体（NTP）辅助催化净化低浓度气体污染物。通过介质放电反应器产生的NTP能够活化化学物质生成活性极高的物种，如激发氧和氮分子、原子和自由基如OH ·和HO2·。有等离子体辅助的催化消除NOx的反应温度可以低于100℃。这对低温（<150°）催化还原柴油机尾气排放物中NOx的催化剂也能够做出重要贡献，当然要把其应用到移动源特别是轻载柴油引擎汽车排放物上仍然还有各种技术问题需要解决。又如，在一般VOC转化中通过组合固体催化剂和介质垒放电来提高VOC消除催化剂的低温活性。已经发现，在室温下移去环境中难闻气味或有毒化学品，对浓度要求存在一个特定的阀值，即要进行自热过程需要污染物有最低含量的限制。为消除浓度很低的VOC污染物，一个可能的替代处理方法是使用臭氧来替代空气氧化剂。负载MnO2催化剂在温度低于100℃时就能够有效地转化甲苯，尽管该催化剂的失活仍是一个需要解决的问题。

而在另一些过程中，则需要极端高的反应温度（900℃或更高），如气体透平的催化燃烧。高反应温度要求发展在高温下有预期稳定性和耐久性的材料。对此提出了多个解决方案：①发展电厂发电催化燃烧用的新载体材料；②了解气体透平钯基燃烧催化剂中钯的可逆转化；③发展高温过程用蜂窝独居石钙钛矿催化剂。

为发展无NOx生成的催化燃烧炉技术，可以使用如下办法来解决天然气室温点火问题：氢辅助燃烧，不仅能够达到甲烷室温点火，而且对热点温度（影响催化剂寿命的关键因素）也有了更好的控制。对柴油机尾气颗粒消除装置，提高过滤器低温活性也是其关键问题，提出的解决方案是：使用被催化活性物质覆盖高度多孔性氧离子传导电解质（Ce-Ga化合物）和电子传导钙钛矿（La-Sc-Mn钙钛矿）电极，这构成了电化学反应器的新概念，多孔结构反应器作为机械过滤器以捕集尾气中的烟雾颗粒；使用外部供应的电功率极化反应器，能够使收集烟雾颗粒的燃烧过程被限制在低温下进行，因为电解质材料离子电导率确定的使用极限温度为250℃。活性调变催化装置的概念不仅能够被应用于提高低温活性，而且也能够使用于发展活性可变和可调的催化体系，这取决于化学反应器的潜在应用。这类催化装置的催化活性是可以进行调制的，例如，已经发展出由偶合传感器推动的活性可调的“聪明”催化装置。

如上所述，在各种环境催化过程中接受的原料组成一快速波动的可能，因此使用温度控制来跟踪原料快速波动是无效的或不可能的，这导致这些情形中的催化总效率是低的。“智能”催化装置概念对这个问题是一个潜在的解决办法，尽管研究仍处于初始阶段。“智能材料”的研究发展一般是受科学兴趣的激励。

尽管这些例子远不能够代表近期环境催化领域技术的发明，但它们却证实了非传统污染问题是能够通过环境催化研究来解决的。发展累积的知识将会对所有催化领域产生正面的影响，但也可能对各种工业产生影响。

1.2.6　环境催化促进可持续工业化学的发展

从一开始，工业化学过程已经在向比较有效地使用资源和改进选择性的方向发展，因为这两个方面都是针对过程经济性的改进。催化是这类创新的基本或关键组分，所以催化工业过程中的几乎所有新发展全都落在环境催化感兴趣的领域中。其中的一些例子列于表1-9中。

领域中有很多例子，这里只简要介绍少数几个，为的是验证某些创新的方向。在清洁和非常规介质中的生态有效过程应该是工业环境催化和可持续（绿色）化学创新的主要领域。在磷酸锆（SZ）催化剂上丁烷异构是众所周知的例子，其工业化因催化剂结焦快速失活而受阻。但在超临界条件下（丁烷本身作为超临界介质）就有可能使催化剂不会快速失活，在长时间内保持稳定活性，因为超临界流体对焦前身物有很好的溶解能力。对所有工业合成，过程简化是面临的一个挑战，因为过程简化能够使能量消耗降低和产生的废物量减少，并使安全性和经济性得以改进。苯酚是大体积化学品，在多种聚合物中有广泛使用。常规的商业路线是一个三步过程，需要通过异丙苯和异丙苯过氧化物中间物。而替代的生态兼容过程是从苯羟化开始，可以使用气相N2O作为氧化剂在Fe/ZSM-5催化剂（表1-9）上羟化得到苯酚，也可以在液相中使用过氧化氢作氧化剂在Ti-或Fe-沸石催化剂上羟化而得。对大体积化学品工业合成，另一个过程简化和生态兼容性的例子是异丁烯到甲基丙烯酸的气相选择性氧化。显然，对新生态兼容催化合成技术快速工业应用，其最大潜力是在精细或专用化学品的催化合成领域，因为对化学品生产，规模越大所要求的投资也越大。在精细化学品生产中使用催化合成技术有多种可能性。例如，二氢肉桂醛从苯甲醛和丙醛在水滑石负载Pd催化剂上的合成有可能使用“一锅煮”的方法，这样使过程比常规三步过程有实质性的改进，常规过程要产生大量馏出物和盐。另一个例子是2，3，4-三甲基苯醌的催化生成，以Ti介孔分子筛材料做催化剂，使用过氧化氢作氧化剂，这是新环境友好合成方法，避免了有毒和腐蚀性废物的生成。“一锅煮”催化合成方法还有一些其他例子：以水滑石基材料作为固体碱催化剂，使间苯二酚与甲醇烷基化，这是以较为清洁的催化过程替代常规均相过程；对依布洛芬，也发展了“绿色”合成的催化步骤。类似地，对ε-己内酰胺的合成，也已经发展出比较绿色的催化合成步骤。对尼龙-6，类似的催化合成也是可能的。

催化技术的使用不仅能够降低化学品生产对环境的影响，而且在很多其他领域中也能够应用催化技术。这个方面的一个例子是，从木质生物制备纤维素的可持续新催化化学过程。

所以，催化为持续（绿色）化学品和非化学品生产提供可能和可行的技术。为了更好地确认所有可能性，强化努力是必须的，特别是催化的非正统领域。

1.2.7　固体废物转化领域中的环境催化

环境催化技术在传统上应用于移动和固定源排放物的净化，但现时的研究已经开启了新的领域。在聚合物再使用和转化中，使用环境催化的注意力在增加，因为循环或转化聚合物的问题已经成为近年来的关键事情之一。催化技术能够获得较快的转化，特别是获得较高的选择性和较好的产品质量。对聚合物废物的循环利用可以采用不同的策略，环境催化在把它们转化为高质量燃料中起着重要的作用。例如已经证明，SAPO-37沸石能够催化降解高密度聚乙烯，对低密度聚乙烯的转化也需要催化剂和催化反应工程方面的知识，有可能使用FCC催化剂来催化裂解塑料之类的聚合物。例如已经使用改性MCM-41催化剂对低密度聚乙烯进行催化转化。虽然使用酸催化剂能够裂解聚合物产生燃料组分，但没有解决聚合物催化脱聚的问题，而后者是使聚合物分解为小分子和使能量损失最小面对的更大和更有意义的挑战。显然，在聚合物转化领域使用催化剂的重要性在增加，但需要解决高效催化剂和反应器等若干基础性问题。其次，必须要拓宽使用催化剂的可能性，如使用脱聚的碱催化剂替代裂解催化剂。

环境催化技术在固体废物转化中的应用还有一些其他重要领域，如：①污泥处理中（一般工业污泥处理包括活性污泥的分散，在欧洲这是一个重要性不断增加的问题，因为EU“城市废水处理导向”已经对使用土地分散污泥施加了相当的限制）；②来自化学和炼制工厂的固体废物的循环利用；③对固体废物处理中逸出排放物的处理。对这些问题文献数据很少，但对它们的关注度在不断增加。

1.2.8　室内空气质量改进中的环境催化

显著量的污染物有可能存在于家庭住房和办公室环境中。来自建筑物的污染源包括：①燃烧产品如一氧化碳和环境烟雾；②来自建筑材料、织物饰品、地毯、黏结剂、新鲜涂料、新地板和清洁产品等的VOCs；③办公设备放出的臭氧。以下是另外五个污染源：①工程木头产品，其排放的污染物来自基础加工木材、木头加工成品和使木头片黏合在一起的有机胶，检出的主要污染物是甲苯和醛类；②复印机、照相成像设备（洗印机）、蓝印机（晒图机）、计算机和电脑终端以及撞击式矩阵打印机，在使用期间都会有潜在排放各种物质到室内空气环境中的可能，涉及的污染物包括VOCs、颗粒物和臭氧；③计算机显示器中的电路板和纸基/酚醛树脂印刷电路（PCBs）板也可以是VOCs排放的源头；④烹饪产生的各种VOCs（醛类、酯类、烃类、芳香烃、硫醇、硫化氢）和颗粒或悬浮气溶胶，有时还排出有难闻气味的气体，可以来自鱼、肉和某些蔬菜的烹饪；⑤厕所和垃圾分散，污染物产生自甲胺硫醇、脂肪酸和胺类、尿素和尿酸等。此外，通风系统或室内建筑的微生物污染能够产生室内真菌气溶胶，如葡萄状穗霉、青霉素、枝孢属霉菌和曲霉菌等。

对室内空气质量的改进，环境催化技术能够起很大的作用，例如，催化剂能够消除烧烤鱼和肉产生的烟雾和气味，这已经实现商业化。也已经有催化剂被用于消除因在油炉燃烧器中的未完全或非理想燃烧在其顶部产生的醛类气味，特别是当炉子熄灭时。

纳米材料，例如直径为3～5nm的金颗粒，对除去厕所气味是非常有效的，日本已经把其转化为市场产品。为降低室内空气的微生物污染，能够使用具有光催化活性的二氧化钛。低温燃烧催化剂能够去除甲醛。然而，这个领域中的成果一般在公开文献中很少报道，因为它代表的是潜在的市场。即便有一些文章发表，改进室内空气质量也不是其特定目标。对该领域的兴趣已经被刺激和推动，因为它代表环境催化研究的一个新领域。

1.2.9　减少温室气体排放

欧盟共同体的“欧洲气候变化项目”，对使用催化技术控制温室气体（CO2、甲烷、N2O、卤素化合物）排放研究提供了进一步的刺激。对温室气体的全球总包效应研究以及寻找解决这个问题的现实办法，导致对环境催化领域研究的兴趣不断增加。例如，虽然对使用二氧化碳作为重整反应的一个反应物（二氧化碳甲烷催化重整）进行了不少研究，但并不能够认为它是解决二氧化碳排放增加问题的办法。不仅是因为使用和产生二氧化碳量有数量级上的差别，而且二氧化碳烃类重整是强吸热反应，需要消耗大量热量，如果热量来自矿物燃料则会产生大量二氧化碳。使用碳酸钾/活性炭作为二氧化碳的可逆吸附剂，这也不能够被认为是真正的环境催化技术。对光-和电-催化二氧化碳转化存在多种意义上的可能性，但在环境催化领域它们很少受到重视，因为环境催化领域不同于化学领域。为了解决光-电-催化二氧化碳转化的实际问题和有效性问题，有一些基础催化问题需要解决，希望在未来能够增加在这个方向上的研究努力。

对N2O的消除，一般讲，它在高温（500℃以上）下是容易催化转化为氮气的，但这对许多实际情形是不经济的，而且其他气体组分的存在会在很大程度上影响N2O的反应性。对N2O转化催化剂的发展，不仅要研发新催化剂，而且要考虑在反应温度下催化过程的经济性以及其他气体组分对其反应性的影响。换句话说，移去气体排放物中的N2O必须要考虑具体实际情形。这个方向的一个有意思的例子是，同时移去硝酸工业中的N2O和NOx。对这个反应，如果在进料中添加丙烷作为还原剂（甲烷不是非常有效的），Fe-ZSM-5催化剂是有效的。在单一个反应器中，同时使用Fe-ZSM-5和DeNOx催化剂（Co-ZSM-5），于300℃时，硝酸工厂尾气中80％以上的N2O和NOx能够被还原。高压对N2O的还原是有利的，特别是NOx的转化。

甲烷燃烧的中心问题是如何降低温室气体的排放，如痕量甲烷和氮氧化物。使用环境催化剂如钙钛矿进行催化燃烧是一个有效方法。已经证明，La-Al-Fe钙钛矿或钙钛矿独居石材料具有抗硫化合物（天然气中的H2S和SO2）的特点，能够应用于处理从钢铁工厂逸出的排放物。显然，降低温室气体排放的环境催化技术，是重要性不断增加的领域，当然需要进行深入研究尽可能提供所需要的催化剂，而且必须进行集中解决。

1.2.10　用于水补救的环境催化技术

地面水是极易遭到污染的，例如农业操作，特别是硝酸盐和杀虫剂的使用、地下燃料罐和管线漏出的非生物降解化合物、事故造成的溶剂和脱脂剂的溢漏等。污染水的补救是世界范围内的主要问题之一。美国、欧盟和中国的环境保护部门都特别强调，水污染和水生环境的恶化问题已经严重妨碍人类和野生生物对水的使用，不合适或差的水质与人类需求和野生生态需求是冲突的，非常需要使用环境催化技术来有效地处理被污染的水。据估算，这个技术的市场需求在5～10年内会被翻一番，因为现时可利用的污染水净化技术常常不能够满足经济和生态两者要求。所以，生态和经济两方面的要求都会激励对水处理和修补新技术的研究和发展。催化技术尤其是环境催化技术，能够在新净化技术发展中起关键作用。当然，这件事情本身也是对催化的一个新挑战。在污染水修复中，环境催化面对的主要挑战是，催化剂必须能够进行有效的原位操作。这给催化剂施加了相当的约束：要求环境催化技术必须紧凑和容易管理。污染水修复技术的两个重点是：①除去污染水中的硝酸盐和杀虫剂；②使污染地下水中的MTBE转化。解决的方法有：①使用先进的湿式催化氧化技术（除去有机和无机污染物如氨）；②使用加氢反应处理废水的催化技术；③光催化水净化技术。

水中硝酸盐的还原使用的催化剂一般是改性的负载钯催化剂（例如使用铜改性），能够使用不同的载体和反应器。然而，副产物铵离子的生成问题至今仍未得到圆满解决（至少在实际使用上），对饮用水的要求是小于0.5μg/g。

MTBE是广泛使用的汽油添加剂，但它对地下和地面水的污染已经导致它在美国被禁用。其污染来源是地下燃料容器和管线的溢漏以及在气体站容器过满外溢和故障。其他汽油组分具有好的生物降解性和低的水溶解度，因此，释放的汽油显示快的“自然衰减”和低的迁移指数。但MTBE在水中很容易溶解，在地下水体系中具有高度移动性，而且极难生物降解。所以，对污染水中MTBE（甲基叔丁基醚）的转化成为环境催化需要解决的一个专业问题。MTBE的转化可以使用沸石催化剂，如H-ZSM-5沸石能够在室温下有效地把污染水中的MTBE转化为生物可降解的化学分子。当把H-ZSM-5加到含MTBE的水溶液中时，先快速吸附然后开始慢速降解，初始产物主要是叔丁醇和甲醇。因此，使用沸石来修补被MTBE污染的水，并以此做成一个围绕汽油槽的保证床层，这是具有实际可能性的。使用于水修补的环境催化技术以及一般说来在污染废水净化中使用环境催化剂的所有领域，在未来其重要性将不断增加。除了处理化学工厂的污染废水外，这类环境催化技术也能够使用于其他相关领域，如非化学（电子、皮革、制革和纸浆/造纸工业）和农业/食品企业排放的污染废水的处理，以降低它们对环境的影响。

1.2.11　环境有害催化剂的替代

在现有过程中使用的催化剂有的是对环境有害的。这些催化剂的替代和分散或废弃催化剂再使用是与催化剂生产有关的工业问题，也是绿色化学所关心的，是化学品生产绿色化的一个内容。例如，精细化学品生产中经常碰到的酰化反应，使用的催化剂通常是有害的AlCl3，它能够使用固体酸催化剂如β-沸石替代；又如，碱催化反应使用的腐蚀性碱性溶液催化剂可以使用固体碱催化剂如水滑石化合物替代。但是，应该注意到，有关废催化剂的分散问题和再利用问题文献中数据极少，但对其的关注度在增加。

环境催化的科学和市场兴趣在21世纪的第一个十年中已经显著地扩展，因为关于排放物和环境质量的法规其严格性持续增加，同时对环境催化技术的中心角色的认识也在增加，它们能够在改进生活和环境质量中起着关键作用。

环境催化感兴趣的领域已经和正在快速扩展着，而同时许多新的应用给催化以新的挑战，这进一步刺激研究发展新解决办法和新技术，将有利于所有催化领域和其他工业。

因此，对环境催化领域研究的展望是非常有意思的，为环境催化研究的发展打下基础。