[发明专利]催化氧化

说明书

本发明涉及催化氧化，尤其涉及使有机化合物破坏性分解的催化氧化。

近年来，环境因素在化工厂的有效运作方面日益显得重要。把这些化工厂的废气中产生的所谓挥发性有机化合物或VOCs的排放量减至最小是十分必要的。在VOCs气体中的催化氧化提供了一种破坏这些化合物的方法。这一方法比热焚烧优越，例如其操作温度较低，因此操作成本较低。另外，使用催化剂还能更好地控制过程的产物。

催化剂必须能够适合于在破坏性氧化过程中有效地破坏VOCs。已有技术中，已提出若干应用于此的催化剂。它们包括贵金属催化剂(主要为钯基)和单一金属氧化物催化剂(如V₂O₅、CuO、Co₃O₄、Cr₂O₃和MnO₂)。已有技术中，混合的金属氧化物也有价值并有一些成功的记录，例如：(MnO₂/CuO)催化剂、亚铬酸铜、钼酸钴和钴锰氧化物。

现在，人们认为需要寻找具有更好的活性和更强的抗失活能力的催化剂。

依据本发明，提供了一种对含一个或多个可选取代的烃类基团的一种或多种有机化合物的破坏性氧化的方法，包括在含氧化铀催化剂的存在下进行氧化反应的步骤，其中，氧化铀中铀的平均氧化态大于4。氧化物可以是，例如UO₃、U₃O₈或具有混合氧化态的物质。术语“平均氧化态”指“活性催化剂”(即存在于反应条件下的催化剂)的平均氧化态。

依据本发明的方法特别适合于破坏VOCs。VOCs如上特别提到，是化学反应中通常不需要的挥发性副产品，例如化工过程的废气中的化合物。VOCs包括，例如直链、支链和环状的烷烃、烯烃和炔烃，芳族、芳族聚合和芳族稠合的化合物以及所有这些化合物被部分或全部取代的(如卤素或其它取代基)或含有杂原子、桥键基团之类的衍生物。

本发明可用于氧化破坏VOCs，多种VOCs可以一起处理，这些VOCs可以有相同的或不同的官能团。

本发明中，氧化反应可以是多相的：使用固相的氧化铀催化剂、气相的氧，在液相或气相中分解有机化合物。

在某些反应中，可能需要使用存在于气流中的氧气来进行氧化反应(如体积浓度高至40％的气流)。在空气或氧气作为氧化剂的任何场合，空气或氧气应存在于含有惰性稀释气体如氮气的混合气中。

本发明的用于破坏VOCs的氧化铀催化剂可以有若干不同的形式，最好是那些为反应提供最佳表面区域的形式。催化剂合适的形式包括氧化物，如U₃O₈、粉末、载体支持的氧化铀如U₃O₈(如二氧化硅、氧化铝或整块载体)。合适的制备方法包括在载体的存在下把硝酸铀分解成氧化物和把硝酸盐分解成氧化物(一般称为预润湿(incipient wetness))，铀金属薄膜的氧化，溶胶-凝胶沉淀，化学气相淀积和等离子体淀积。铀包括天然或贫化的物质，贫化物质中U²³⁵的含量少于天然铀。

本发明所用的氧化铀的形式可为含粒子气溶胶、粒子床、丸状集合或载体支持的催化剂或其它合适的形式。使用载体支持的催化剂，氧化铀包括一层薄的表层形成于或吸收在合适的基质上或嵌入于合适的基质中。基质可以包括例如固态物质，其在所用方法的最高操作温度下是稳定的，该温度取决于所氧化的特定有机化合物，但一般低于800℃。

催化剂还包括氧化铀，优选的是U₃O₈，和其它金属或金属氧化物体系，如金属钠和金属钾，以及钴、钼、钒、镍、铜、铬、锰和铁中一种或多种的氧化物。使用这些掺杂剂使催化剂适合于VOC体系的特殊组合物，并控制产物的选择率。

混合氧化物催化剂包括单一晶格(单相)混合氧化物形式的两种或更多种氧化物，以及通过物理混合而不是化学混合的两种或更多种单独的氧化物。合适的制备混合氧化物催化剂的方法包括：硝酸铀和一种合适的可溶金属盐的分解反应，在合适的支持载体存在下的硝酸盐的分解反应，溶胶-凝胶沉淀，化学气相沉积和等离子体沉积。

合适的基质包括微孔或中孔的物质，其中氧化铀在该物质的孔内，分布于内表面区域和/或进入载体的骨架结构。这一类的基质物质包括沸石型物质。例如，可溶性铀盐如硝酸盐可加入制备合适的沸石型物质的合成凝胶中。这一制备方法可能的结果是形成由微孔环境载体支持的氧化物纳米粒子。这一方法还可用于形成混合氧化物形式的催化剂。