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1、高功率脉冲技术高功率脉冲技术高功率脉冲技术高功率脉冲技术在环保领域的应用在环保领域的应用在环保领域的应用在环保领域的应用张永民张永民 张张 硕硕重复脉冲强冲击波产生及应用一一一一、脉冲强电磁、脉冲强电磁、脉冲强电磁、脉冲强电磁、电离辐射降解电离辐射降解电离辐射降解电离辐射降解有机物毒性有机物毒性有机物毒性有机物毒性二二二二、催化剂失活与再生催化剂失活与再生催化剂失活与再生催化剂失活与再生重复脉冲强冲击波产生及应用高功率脉冲技术是当代高新技术的支撑学科之一；高功率脉冲技术是当代高新技术的支撑学科之一；它它以以慢慢的的方方式式储储存存能能量量，然然后后，借借助助各各种种开开关关的的快快速速切切换换
2、实实现现脉脉冲冲压压缩缩、功功率率放放大大、用用很很短短的的时时间间、很很高高的的强强度度以以单单个个脉脉冲冲或受控的重复脉冲形式，将高功率电磁能量或受控的重复脉冲形式，将高功率电磁能量瞬间瞬间释放给释放给负载负载。各各种种高高功功率率负负载载以以不不同同的的物物理理原原理理将将高高功功率率电电磁磁能能量量转转换换为为所所需需要要的的能能量量形形式式，在在可可控控的的区区域域形形成成极极端端的的物物理理环环境境（高高能量密度、高功率），实现一般功率下所不能实现的功能。能量密度、高功率），实现一般功率下所不能实现的功能。高功率脉冲技术介绍高功率脉冲技术介绍重复脉冲强冲击波产生及应用等离子体等离子
3、体辐射辐射X射线射线激光激光离子束离子束电子束电子束EMP、超、超宽带微波宽带微波辐射辐射微波微波负负载载脉冲传脉冲传输与阻输与阻抗匹配抗匹配脉冲储能脉冲储能(脉冲成形、脉冲成形、压缩、传压缩、传输输)初初级级储储能能初初级级能能源源脉冲功率系统脉冲功率系统sns负载负载电热炮电热炮高能激光高能激光武器武器电磁炮电磁炮激光聚变激光聚变电源电源ms-ms水中水中冲击波冲击波重复脉冲强冲击波产生及应用 随着化学工业的发展，在工业生产和人类生活中引入许多有机毒物，随着化学工业的发展，在工业生产和人类生活中引入许多有机毒物，对人类的生产生活带来了严重的危害。例如：在对人类的生产生活带来了严重的危害。例
4、如：在印染、医药、化工、造印染、医药、化工、造纸、酿造等行业产生的大量高浓度有机废水经达标排放后，仍含有多种纸、酿造等行业产生的大量高浓度有机废水经达标排放后，仍含有多种难以降解的有机毒物，并在水环境中残留，具有一定的生物积累性和难以降解的有机毒物，并在水环境中残留，具有一定的生物积累性和“致癌、致畸、致突变致癌、致畸、致突变”的毒性，已给水环境带来严重威胁。的毒性，已给水环境带来严重威胁。毒物是指在一定条件下，经生物体吸收后，引起生物机体功能性或毒物是指在一定条件下，经生物体吸收后，引起生物机体功能性或器质性损害的化学物质。器质性损害的化学物质。目前，已有目前，已有超声波处理、光催化氧化、电
5、催化氧化、膜生超声波处理、光催化氧化、电催化氧化、膜生物反应器和化学催化氧化物反应器和化学催化氧化等治理新技术的研发，指导重点污染行业等治理新技术的研发，指导重点污染行业实施清洁生产。实施清洁生产。一、一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性重复脉冲强冲击波产生及应用 以强电磁脉冲或电离辐射降解有毒难降解有机污染物是以强电磁脉冲或电离辐射降解有毒难降解有机污染物是一个新的技术方向，尚未得到有效的发展。一个新的技术方向，尚未得到有效的发展。因大功率纳秒脉冲产生装置或设备的工业化水平较低，因大功率纳秒脉冲产生装置或设备的工业化水平较低，脉冲电磁、电离辐射降解有机污染
6、物的应用不够广泛。脉冲电磁、电离辐射降解有机污染物的应用不够广泛。有毒难降解有机污染物（如化石燃料中的有机硫和有毒难降解有机污染物（如化石燃料中的有机硫和有机氮、二恶英、农药、染料等）引起的环境污染已成为有机氮、二恶英、农药、染料等）引起的环境污染已成为21世纪影响人类生存与健康的重大题目。世纪影响人类生存与健康的重大题目。一、一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性重复脉冲强冲击波产生及应用 二恶英二恶英(dioxin)是指含有二个或一个氧键连结两个苯环的一类含氯有机是指含有二个或一个氧键连结两个苯环的一类含氯有机化合物的总称，也即是氯代二苯并二恶英化合物的总
7、称，也即是氯代二苯并二恶英(polychlorinated dibenzo-p-dioxins)，简称，简称PCDDs和氯代二苯并呋喃和氯代二苯并呋喃(polychlo-rinated dibenzofurans），简称），简称PCDFs的统称，其严格的学术名称应该是聚氯化的统称，其严格的学术名称应该是聚氯化二苯二恶英。氯原子取代数目不同而使二苯二恶英。氯原子取代数目不同而使PCDD和和PCDF各有八个同系物各有八个同系物(它们的化学结构相似，性质也具有一定的相似性它们的化学结构相似，性质也具有一定的相似性)，每个同系物随氯原子，每个同系物随氯原子取代的位置不同又存在众多异构体，总共取代的位置
8、不同又存在众多异构体，总共210种，其中种，其中75种氯代二苯并二种氯代二苯并二恶英和恶英和135种氯代二苯并呋喃。实际上，环境中的二恶英以混合物形式存种氯代二苯并呋喃。实际上，环境中的二恶英以混合物形式存在。在。一、一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性重复脉冲强冲击波产生及应用 PCDFs由由2个氧原子联结个氧原子联结2个被氯原子取代的苯环。每个苯环上个被氯原子取代的苯环。每个苯环上的氢原子都可以被的氢原子都可以被14个氯原子取代，由于取代的位置和数量的不个氯原子取代，由于取代的位置和数量的不同可形成同可形成210种异构体种异构体(PCDDs有有75种、种
9、、PCDFs有有135种种)。一、一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性重复脉冲强冲击波产生及应用 二恶英有两种形态：挥发性的气体二恶英和颗粒状的固态二恶英。它二恶英有两种形态：挥发性的气体二恶英和颗粒状的固态二恶英。它们在环境中都能长时间存在，且随着氯化程度的增强，们在环境中都能长时间存在，且随着氯化程度的增强，PCDDFs的溶解的溶解度和挥发性减小。度和挥发性减小。二恶英仅在有机溶剂中溶解，水几乎不能溶解。容易生成的温度是二恶英仅在有机溶剂中溶解，水几乎不能溶解。容易生成的温度是180400，分解温度在，分解温度在700以上。在人与动物体内及受以上。在人与
10、动物体内及受3lOnm左右紫左右紫外线照射时缓慢分解，在脂肪中高度分解。对酸、碱稳定，土壤吸着性高，外线照射时缓慢分解，在脂肪中高度分解。对酸、碱稳定，土壤吸着性高，挥发性低。自然环境中的微生物降解、水解及光分解作用对二恶英分子结挥发性低。自然环境中的微生物降解、水解及光分解作用对二恶英分子结构的影响均很小。例如，构的影响均很小。例如，TCDD(四氯二苯异二恶英，共有四氯二苯异二恶英，共有22个异构体个异构体)具具有很低的蒸发压，有很低的蒸发压，25时仅为时仅为2.310-4Pa，熔点，熔点3O5，在水中的溶解度，在水中的溶解度仅为仅为0.2gL，且热稳定性好，即使温度高达，且热稳定性好，即使
11、温度高达700也不会分解。也不会分解。一、一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性重复脉冲强冲击波产生及应用 大量研究表明，很低浓度的大量研究表明，很低浓度的PCDDPCDDFsFs对动物可表现出致死对动物可表现出致死效应。人体暴露在很低浓度的效应。人体暴露在很低浓度的PCDDPCDDFsFs环境中。可引起皮肤环境中。可引起皮肤痤疮、头痛、失聪、忧郁、失眠、内分泌紊乱、生殖及免疫痤疮、头痛、失聪、忧郁、失眠、内分泌紊乱、生殖及免疫机能失调等。并可导致染色体损伤、心力衰竭等。其最大危机能失调等。并可导致染色体损伤、心力衰竭等。其最大危险是具有不可逆的致畸、致癌、致
12、突变险是具有不可逆的致畸、致癌、致突变“三致三致”毒性。毒性。PCDDPCDDFsFs是迄今为止发现过的最具致癌潜力的物质是迄今为止发现过的最具致癌潜力的物质(致癌毒性是曲致癌毒性是曲霉素的霉素的1010倍、倍、3 3，4 4一苯并芘的数倍一苯并芘的数倍)。国际癌症研究中心已将。国际癌症研究中心已将其列人人类一级致癌物。科学家们甚至担心人类的进化是否其列人人类一级致癌物。科学家们甚至担心人类的进化是否会被这类物质而终止。会被这类物质而终止。一、一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性重复脉冲强冲击波产生及应用 在PCDDFs众多异构体中。其毒性可相差1,000倍
13、。有17种2，3，7，8位置被氯取代的化合物毒性最明显；其中又以2，3，7，8一四氯二苯对二氧芑(简称TCDD)毒性为最大。大致相当于沙林的10倍、氰化钾的1000倍、砒霜的900倍；其皮肤接触毒性是DDT农药的20,000倍。摄入毒性是DDT农药的4000倍。PCDDFs是目前世界上毒性最强的剧毒化合物。1盎司(28.35 g)就足以置100万人于死地。一、一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性重复脉冲强冲击波产生及应用化化 学学 键键(Chemical bond)键键 长长(Bondl ength)/(10-12m)键键 能能(Bond energy)/(
14、kJ/mol)化化 学学 键键(Chemical bond)键键 长长(Bond length)/(10-12m)键键 能能(Bond energy)/(kJ/mol)BF-644 NH 101 389 BO-515 NN 145 159 BrBr 229 193 NN 125 456 CB 156 393 NN 110 946 CBr 194 276 NO 146 230 CC 154 332 NO 114 607 CC 134 611 NaBr 250 367 CC 120 837 NaCl 236 412 CCl 177 328 NaF 193 519 CF 138 485 NaH 18
15、9 186 CH 109 414 NaI 271 304 CI 214 240 OH 98 464 几种化学键的键长键能几种化学键的键长键能一、一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性重复脉冲强冲击波产生及应用化化 学学 键键(Chemical bond)键键 长长(Bondl ength)/(10-12m)键键 能能(Bond energy)/(kJ/mol)化化 学学 键键(Chemical bond)键键 长长(Bond length)/(10-12m)键键 能能(Bond energy)/(kJ/mol)CN 148 305 OO 148 146 CN
16、135 615 OO 120 498 CN 116 891 PBr 220 272 CO 143 326 PCl 203 331 CO 120 728 PH 142 322 CO(CO2)-803 PO 163 410 CP 187 305 PO 138 585CS 182 272 PP-213 CS 156 536 PbO 192 382 CS(CS2)-577 PbS 239 346 CSi 186 347 RbBr 294 381 ClCl 199 243 RbCl 279 428 几种化学键的键长键能几种化学键的键长键能一、一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性脉冲强电磁、电离辐射降解
17、有机物毒性重复脉冲强冲击波产生及应用化化 学学 键键(Chemical bond)键键 长长(Bondl ength)/(10-12m)键键 能能(Bond energy)/(kJ/mol)化化 学学 键键(Chemical bond)键键 长长(Bond length)/(10-12m)键键 能能(Bond energy)/(kJ/mol)CsI 337 337 RbF 227 494 FF 140 153 RbI 318 319 HH 75 436 SH 135 339 HBr 142 366 SO-364 HCl 127 431 SO 143-HF 92 565 SS 207 268 H
18、I 161 298 SS 189-II 266 151 SeH 147 314 KBr 282 380 SeSe 232-KCl 267 433 SeSe 215-KF 217 498 SiCl-360 KI 305 325 SiF-552 LiCl 202 469 SiH-377 LiH 239 238 SiO-460 LiI 238 345 SiSi-176 几种化学键的键长键能几种化学键的键长键能一、一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性重复脉冲强冲击波产生及应用C-Cl键的键长键的键长(Bondl ength)177/(10-12m)；C-Cl键的键能
19、键的键能(Bond energy)328/(kJ/mol)；C-O键的键长键的键长143/(10-12m)，键能为，键能为326/(kJ/mol)CO键的键长键的键长120 10-12m，键能为，键能为728/(kJ/mol)C-C键的键长键的键长154/(10-12m)，键能为，键能为332/(kJ/mol)CC键的键长键的键长134/10-12m，键能为，键能为611/(kJ/mol)CC键的键长键的键长120/10-12m，键能为，键能为837/(kJ/mol)N-N键的键长键的键长145，125，110 /(10-12m)；N-N键的键能键的键能159，456，946/(kJ/mol)
20、；与二噁英分子相关的几种化学键的键长键能与二噁英分子相关的几种化学键的键长键能一、一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性重复脉冲强冲击波产生及应用 降解二恶英的毒性主要措施是断裂降解二恶英的毒性主要措施是断裂C-Cl键，也可断裂键，也可断裂C-O键，键，或断裂或断裂C-C键致苯环开裂；键致苯环开裂；1 eV=1.6021765310-19 J，1J=6.251018eV；1mol质量中有质量中有6.021023个分子个分子；单个二恶英分子的一个单个二恶英分子的一个C-Cl键的键能为：键的键能为：54.6710-20J，3.41eV；单个二恶英分子的一个单个二恶
21、英分子的一个C-O键的键能为：键的键能为：54.6710-20J，3.38eV；单个二恶英分子的一个单个二恶英分子的一个C-C键的键能为：键的键能为：54.6710-20J，3.45eV；NN的键能为的键能为26.510-20J，1.65eVNN 的键能为的键能为156.710-20J，9.85eV一、一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性重复脉冲强冲击波产生及应用 标准大气压条件下，均匀电场中空气击穿电压为标准大气压条件下，均匀电场中空气击穿电压为30kV/cm。即，。即，在此电场强度下，可致在此电场强度下，可致N2分子电离，即使考虑分子电离，即使考虑N2分
22、子的键为分子的键为NN 三键，其键能为三键，其键能为9.85eV。要断裂将能为。要断裂将能为3.41eV 的的C-CL键，可用键，可用12kV/cm以上的电场强度即可。以上的电场强度即可。与加载到空气中的电场相比，降解二噁英的关键是如何为固与加载到空气中的电场相比，降解二噁英的关键是如何为固体毒物加载脉冲高电压。体毒物加载脉冲高电压。一、一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性重复脉冲强冲击波产生及应用电磁脉冲电磁脉冲：脉冲高电压和脉冲强磁场，可采用脉冲高电压为待降解脉冲高电压和脉冲强磁场，可采用脉冲高电压为待降解的污染物施加强电场，以场致电离的方式致分子键断裂
23、，达到降解的的污染物施加强电场，以场致电离的方式致分子键断裂，达到降解的目的。目的。电离辐射电离辐射：电离辐射是一切能引起物质电离辐射是一切能引起物质电离电离的的辐射辐射总称，其种类很总称，其种类很多，高速带电多，高速带电粒子粒子有有粒子粒子、粒子粒子、质子质子，不带电粒子有，不带电粒子有中子中子以及以及X射线射线、射线射线。实际实际应用中，以电子、应用中，以电子、X射线最有可能。射线最有可能。200nm的紫外光子能量约的紫外光子能量约为为6eV，从有机物的分子键能数据可知，紫外光子即可致污染物的分，从有机物的分子键能数据可知，紫外光子即可致污染物的分子键断裂。子键断裂。一、一、脉冲强电磁、电
24、离辐射降解有机物毒性脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性高功率脉冲技术有两种方式可应用于降解有机毒物高功率脉冲技术有两种方式可应用于降解有机毒物重复脉冲强冲击波产生及应用以直流高压加载到以直流高压加载到需要降解的固体毒物上，在降解的同时也会形需要降解的固体毒物上，在降解的同时也会形成高压击穿，只能以脉冲形式加载。控制脉冲的宽度，在要形成击穿成高压击穿，只能以脉冲形式加载。控制脉冲的宽度，在要形成击穿的瞬间，停止加载，是高场强仅应用于化学键的断裂，而不产生高压的瞬间，停止加载，是高场强仅应用于化学键的断裂，而不产生高压击穿。击穿。另外，辐射波电磁脉冲的效率较低，在一个有界波强势中，根据另外，辐射波
25、电磁脉冲的效率较低，在一个有界波强势中，根据待降解材料的介电常数，设计与脉冲功率源匹配的负载，将源的电磁待降解材料的介电常数，设计与脉冲功率源匹配的负载，将源的电磁能量有效的应用到降解。能量有效的应用到降解。一、一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性重复脉冲强冲击波产生及应用 一般产生等离子体辐射均采用高压放电获得，采用直流放电时，能一般产生等离子体辐射均采用高压放电获得，采用直流放电时，能量将通过放电等离子体通道以焦耳加热的模式耗散了。为此，自然科学量将通过放电等离子体通道以焦耳加热的模式耗散了。为此，自然科学基金前期研究了介质阻挡放电，期望放电等离子体通道
26、不贯通以降低能基金前期研究了介质阻挡放电，期望放电等离子体通道不贯通以降低能量的耗散。量的耗散。另一种方式是采用纳秒脉冲高压来获得放电等离子体，当高电压另一种方式是采用纳秒脉冲高压来获得放电等离子体，当高电压加载到负载后，形成放电等离子体，而在没有形成贯通的放电时，高压加载到负载后，形成放电等离子体，而在没有形成贯通的放电时，高压已经截止，在通过重复的放电有效利用放电能量。已经截止，在通过重复的放电有效利用放电能量。一、一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性重复脉冲强冲击波产生及应用同轴线结构电场公式：同轴线结构电场公式：同轴结构的内外导体之间是极不均匀电场，
27、可以在内导同轴结构的内外导体之间是极不均匀电场，可以在内导体周围局部产生很强的电场强度。体周围局部产生很强的电场强度。以以N2的击穿场强为列，在外导体直径的击穿场强为列，在外导体直径20cm和外加和外加50kV脉脉冲电压下，内导体直径必须大于冲电压下，内导体直径必须大于0.6cm，才能使其周围的电，才能使其周围的电场强度下降到场强度下降到N2的击穿场强的击穿场强30kV/cm以下。以下。一、一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性重复脉冲强冲击波产生及应用 当内导体半径很小时，导体周围的电当内导体半径很小时，导体周围的电场强度将导致内导体表面发生强烈的场致场强度
28、将导致内导体表面发生强烈的场致电子发射，所发射的电子致周围气体发生电子发射，所发射的电子致周围气体发生电离，形成等离子体电晕。电晕层扩大了电离，形成等离子体电晕。电晕层扩大了内导体半径，直到电晕层外围的电场强度内导体半径，直到电晕层外围的电场强度降低到气体击穿场强以下。降低到气体击穿场强以下。可以采用金属丝产生的强场电离待处理的污染气体，电可以采用金属丝产生的强场电离待处理的污染气体，电离层外仍然不断发射电子电离外围的污染气体，达到降解离层外仍然不断发射电子电离外围的污染气体，达到降解的目的。的目的。一、一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性重复脉冲强冲击波产
29、生及应用 对于不适应电离的有毒物质，对于不适应电离的有毒物质，可采用石英管隔离。在石英管内可采用石英管隔离。在石英管内装特定的气体，该气体在电晕层装特定的气体，该气体在电晕层电离后发出特定谱的紫外光，紫电离后发出特定谱的紫外光，紫外光透出石英管降解待处理的有外光透出石英管降解待处理的有毒有害物质。毒有害物质。一、一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性重复脉冲强冲击波产生及应用 目前已有目前已有大功率的重大功率的重复频率纳秒复频率纳秒脉冲发生器，脉冲发生器，可以应用于可以应用于有机有毒物有机有毒物质的降解处质的降解处理。理。一、一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物
30、毒性脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性重复脉冲强冲击波产生及应用 在已有的脉冲功率驱动源驱动源上以各种物理原理设计各种脉冲在已有的脉冲功率驱动源驱动源上以各种物理原理设计各种脉冲功率负载，将脉冲电磁能量转换为需要的能量形式可以处理的有毒有功率负载，将脉冲电磁能量转换为需要的能量形式可以处理的有毒有害物质。害物质。一、一、脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性脉冲强电磁、电离辐射降解有机物毒性重复脉冲强冲击波产生及应用二、催化剂失活与再生二、催化剂失活与再生催化剂种类：催化剂种类：硅硅酸酸钠钠;加加氢氢精精制制催催化化剂剂481-2B;481-2B;加加氢氢精精制制催催化化剂剂481-3;481-3
31、;加加氢氢精精制制催催化化剂剂;加加氢氢转转化化催催化化剂剂;加加氢氢转转化化催催化化剂剂T201;T201;加加氢氢转转化化催催化化剂剂T202;T202;脱脱硫硫脱脱砷砷催催化化剂剂;脱脱砷砷催催化化剂剂;氧氧化化锌锌脱脱硫硫剂剂T302;T302;氧氧化化锌锌脱脱硫硫剂剂T304;T304;氧氧化化锌锌脱脱硫硫剂剂;苯苯胺胺加加氢氢催催化化剂剂;尾尾气气净净化化催催化化剂剂;氧氧化化铝载体铝载体TAC-01;TAC-01;渣油加氢保护剂渣油加氢保护剂;脱氧剂脱氧剂BHBH型型;重复脉冲强冲击波产生及应用T305T305T305T305型氧化锌脱硫剂型氧化锌脱硫剂型氧化锌脱硫剂型氧化锌脱硫
32、剂 Z112YZ112YZ112YZ112Y系列天然气一段转化催化剂系列天然气一段转化催化剂系列天然气一段转化催化剂系列天然气一段转化催化剂 Z204Z204Z204Z204型天然气二段转化催化剂型天然气二段转化催化剂型天然气二段转化催化剂型天然气二段转化催化剂CZ-4CZ-4CZ-4CZ-4型天然气二段转化催化剂型天然气二段转化催化剂型天然气二段转化催化剂型天然气二段转化催化剂 CB-3CB-3CB-3CB-3型型型型COCOCOCO高温变换催化剂高温变换催化剂高温变换催化剂高温变换催化剂 CB-5CB-5CB-5CB-5型型型型COCOCOCO低温变换催化剂低温变换催化剂低温变换催化剂低温
33、变换催化剂二、催化剂失活与再生二、催化剂失活与再生重复脉冲强冲击波产生及应用 CB-5CB-5CB-5CB-5型型型型COCOCOCO低温变换催化剂低温变换催化剂低温变换催化剂低温变换催化剂 J106-2QJ106-2QJ106-2QJ106-2Q型甲烷化催化剂型甲烷化催化剂型甲烷化催化剂型甲烷化催化剂 A110-1A110-1A110-1A110-1、A110-2A110-2A110-2A110-2型氨合成催化剂型氨合成催化剂型氨合成催化剂型氨合成催化剂 二、催化剂失活与再生二、催化剂失活与再生重复脉冲强冲击波产生及应用uu 催化剂失活的定义催化剂失活的定义催化剂失活的定义催化剂失活的定义
34、在在在在催催催催化化化化剂剂剂剂使使使使用用用用过过过过程程程程中中中中反反反反应应应应活活活活性性性性（转转转转化化化化率率率率）随随随随运运运运转转转转时时时时间间间间而而而而下下下下降的现象称为催化剂失活（降的现象称为催化剂失活（降的现象称为催化剂失活（降的现象称为催化剂失活（deactivation)deactivation)或衰变（或衰变（或衰变（或衰变（decay)decay)。uu 催化剂失活的原因催化剂失活的原因催化剂失活的原因催化剂失活的原因 三个方面：化学的原因三个方面：化学的原因三个方面：化学的原因三个方面：化学的原因 受热（高温）受热（高温）受热（高温）受热（高温）机械
35、的原因机械的原因机械的原因机械的原因二、催化剂失活与再生二、催化剂失活与再生重复脉冲强冲击波产生及应用类型类型原因原因结果结果化学的化学的结焦结焦金属污染金属污染毒物吸附毒物吸附表面积减少，堵塞表面积减少，堵塞表面积减少和催化活性降低表面积减少和催化活性降低活性位减少活性位减少高温高温受热受热烧结烧结非活性化合物的生成非活性化合物的生成相转变和相分离相转变和相分离活性组分的包埋活性组分的包埋活性组分的挥发活性组分的挥发表面积减少表面积减少活性组分丧失和表面积减少活性组分丧失和表面积减少催化剂组成改变，表面积减少催化剂组成改变，表面积减少活性位减少活性位减少活性组分减少活性组分减少机械的机械的颗
36、粒破碎颗粒破碎结污结污催化剂床层沟流，堵塞催化剂床层沟流，堵塞表面积减少表面积减少二、催化剂失活与再生二、催化剂失活与再生重复脉冲强冲击波产生及应用结焦结焦 或称积碳，是指催化剂表面上生成含碳沉积物的过程；或称积碳，是指催化剂表面上生成含碳沉积物的过程；焦的形成是由结焦物在活性中心上的不可逆焦的形成是由结焦物在活性中心上的不可逆吸附吸附引起的。引起的。表现为：表现为：（1）覆盖表面，减少表面积；）覆盖表面，减少表面积；（2）覆盖和包埋活性组分，降低活性；）覆盖和包埋活性组分，降低活性；（3）堵塞孔道。）堵塞孔道。结焦机理：结焦机理：酸结焦，酸结焦，脱氢结焦，脱氢结焦，离解结焦离解结焦二、催化剂
37、失活与再生二、催化剂失活与再生重复脉冲强冲击波产生及应用酸结焦：酸结焦：烃类原料在固体酸催化剂上或固体催化剂的酸性部烃类原料在固体酸催化剂上或固体催化剂的酸性部位上通过酸催化聚合反应生成碳质物质。位上通过酸催化聚合反应生成碳质物质。CnHm (CHx)y 脱氢结焦：脱氢结焦：烃类原料在金属和金属氧化物的脱氢部位上分解烃类原料在金属和金属氧化物的脱氢部位上分解生成碳或含碳原子团。生成碳或含碳原子团。CnHm yC离解结焦：离解结焦：一氧化碳或二氧化碳在催化剂的解离部位上解离一氧化碳或二氧化碳在催化剂的解离部位上解离生成碳。生成碳。二、催化剂失活与再生二、催化剂失活与再生重复脉冲强冲击波产生及应用
38、表现：表现：1）分解并沉积在催化剂表面，封闭表面部位和孔；）分解并沉积在催化剂表面，封闭表面部位和孔；2）自身的催化脱氢活性，促进结焦；）自身的催化脱氢活性，促进结焦；3）再生时的催化氧化作用，促进烧结；）再生时的催化氧化作用，促进烧结；4）熔融作用。）熔融作用。金属金属污染的来源：污染的来源：进料中所含毒物杂质进料中所含毒物杂质吸附吸附于催化剂于催化剂表面，损害催化剂活性和选择性。表面，损害催化剂活性和选择性。金属卟啉（金属卟啉（porphyrins)络合络合物或非卟啉化合物，主要是物或非卟啉化合物，主要是V、Ni、Fe、Cu、Ca、Mg、Na、K等，含量等，含量ppm数量级。数量级。二、催
39、化剂失活与再生二、催化剂失活与再生重复脉冲强冲击波产生及应用中毒的程度：中毒的程度：毒物与催化剂活性组分相互作用的性质和强弱。毒物与催化剂活性组分相互作用的性质和强弱。可逆中毒：可逆中毒：可以再生的、暂时性的中毒；可以再生的、暂时性的中毒；不可逆中毒：不可逆中毒：不可以再生的、永久性的中毒。不可以再生的、永久性的中毒。中毒中毒：催化剂所接触的流体中的少量杂质催化剂所接触的流体中的少量杂质吸附吸附在催化剂的在催化剂的活性位上，使催化剂的活性显著下降甚至消失，称之为活性位上，使催化剂的活性显著下降甚至消失，称之为中毒。中毒。使催化剂中毒的物质称为使催化剂中毒的物质称为毒物毒物。二、催化剂失活与再生
40、二、催化剂失活与再生重复脉冲强冲击波产生及应用（1）第第V族和族和VI族元素具有未共享电子对的非金属化合族元素具有未共享电子对的非金属化合物物,即即N、P、As、Sb和和O、S、Se、Te的化合物的化合物（2）金属离子金属离子具有已占用的具有已占用的d轨道，并且轨道，并且d轨道上有与轨道上有与金属催化剂的空轨键合的电子。金属催化剂的空轨键合的电子。（3）不饱和化合物不饱和化合物 分子中的不饱和键能提供电子与金分子中的不饱和键能提供电子与金属催化剂的属催化剂的d轨成键。轨成键。二、催化剂失活与再生二、催化剂失活与再生重复脉冲强冲击波产生及应用烧结烧结：粉状或粒状物料加热至一定温度范围时固结，导致
41、粉状或粒状物料加热至一定温度范围时固结，导致微微晶长大，孔减少，孔径分布发生变化，表面积减少，活性晶长大，孔减少，孔径分布发生变化，表面积减少，活性位数减少，催化剂活性下降。位数减少，催化剂活性下降。相相转变和相分离：转变和相分离：热和水热引起的活性相相变甚至结构破坏则常造成严重热和水热引起的活性相相变甚至结构破坏则常造成严重失活，或永久失活；失活，或永久失活；二、催化剂失活与再生二、催化剂失活与再生重复脉冲强冲击波产生及应用颗粒颗粒破碎：破碎：催化剂在使用过程中应力的作用和组成、结构、催化剂在使用过程中应力的作用和组成、结构、孔结构的变化引起机械强度下降，颗粒破碎。孔结构的变化引起机械强度下
42、降，颗粒破碎。结结污（污（Fouling)固体杂质碎屑在催化剂颗粒上的固体杂质碎屑在催化剂颗粒上的沉积沉积，遮盖表面，遮盖表面，堵塞孔道，甚至导致颗粒粘结。堵塞孔道，甚至导致颗粒粘结。二、催化剂失活与再生二、催化剂失活与再生重复脉冲强冲击波产生及应用现有的催化剂再生方法：现有的催化剂再生方法：烧焦再生（空气、氮气）烧焦再生（空气、氮气）超临界溶剂再生超临界溶剂再生溶剂再生溶剂再生水蒸气再生水蒸气再生二、催化剂失活与再生二、催化剂失活与再生重复脉冲强冲击波产生及应用再生步骤：再生步骤：烧焦烧焦氧化去除催化剂表面的焦炭氧化去除催化剂表面的焦炭 氯化氯化通入有机氯化物，补充氯的损失，同时使通入有机氯
43、化物，补充氯的损失，同时使 金属铂转化为氯化铂，便于铂的再分散金属铂转化为氯化铂，便于铂的再分散 氧化（更新）氧化（更新）使铂转化为氧化物，便于铂的固使铂转化为氧化物，便于铂的固 载化与分散载化与分散 还原还原 通氢气还原，使铂还原为金属态，通氢气还原，使铂还原为金属态，恢复活性恢复活性二、催化剂失活与再生二、催化剂失活与再生重复脉冲强冲击波产生及应用再生前后重整催化剂性能比较再生前后重整催化剂性能比较 性性 能能新鲜催化剂新鲜催化剂烧焦后催化剂烧焦后催化剂 再生后催化剂再生后催化剂比表面积比表面积/m2/g190124124铂平均晶粒度，铂平均晶粒度，nm5.014.55.0相对活性相对活性
44、14036136二、催化剂失活与再生二、催化剂失活与再生重复脉冲强冲击波产生及应用二、催化剂失活与再生二、催化剂失活与再生重复脉冲强冲击波产生及应用定向冲定向冲击波击击波击碎了串碎了串接在金接在金属筒上属筒上面的有面的有机玻璃机玻璃筒。筒。当冲击波峰值压力超过储当冲击波峰值压力超过储层的疲劳强度时，且持续一定层的疲劳强度时，且持续一定的时间，就会撕裂储层，在物的时间，就会撕裂储层，在物体上造成裂隙，并随着作用次体上造成裂隙，并随着作用次数的增加不断延伸，直至毁伤。数的增加不断延伸，直至毁伤。二、催化剂失活与再生二、催化剂失活与再生重复脉冲强冲击波产生及应用强冲击在焊管的焊缝处沉积能量，直接将焊
45、缝破坏；强冲击在焊管的焊缝处沉积能量，直接将焊缝破坏；二、催化剂失活与再生二、催化剂失活与再生重复脉冲强冲击波产生及应用在椭球面一个焦点在椭球面一个焦点上产生的球面冲击上产生的球面冲击波被椭球面反射到波被椭球面反射到另一个焦点上聚焦，另一个焦点上聚焦，击碎体内的结石；击碎体内的结石；二、催化剂失活与再生二、催化剂失活与再生重复脉冲强冲击波产生及应用 以理想状态的平面波为例，以脉冲波为中心的周围物质的加速度以理想状态的平面波为例，以脉冲波为中心的周围物质的加速度a a有如下关系式：有如下关系式：-角频率，角频率，Hz；c-单位面积的声阻抗，单位面积的声阻抗，kgm-2s-1，-介质密度，介质密度
46、，kg/m3；c-声波传播速度，声波传播速度，m/s；f-声波频率，声波频率，Hz；u-振动速度，振动速度，m/s；p-声波压力，声波压力，MPa；二、催化剂失活与再生二、催化剂失活与再生重复脉冲强冲击波产生及应用 假设进入地层的冲击波衰减为压缩应力波时，声波频率假设进入地层的冲击波衰减为压缩应力波时，声波频率f=100Hz，声波压力声波压力p=60MPa=60MPa，岩石介质的声阻抗，岩石介质的声阻抗,c=1.4kgmc=1.4kgm-2s2s-1-1，则，则a=26914m/sa=26914m/s2 22691g2691g。显然脉冲振动的周期性加速度比地层静止岩石。显然脉冲振动的周期性加速
47、度比地层静止岩石及其流体的重力加速度大了及其流体的重力加速度大了26902690倍。倍。化工生产中，各种杂质、污物吸附、沉积在催化剂的各种表面，导致催化剂活性表面积减少，造成活性下降。物理法（电磁场、声场）剥离表面吸附、沉积的异物，恢复沉积的活性表面积是再生催化剂的一种有效方法。以冲击波在分子量级与催化剂各种孔隙结构的各种表面相互作用，在催化剂基质与异物的界面产生剪切力，可以从催化剂基质上剥离异物，在配合清洗等工艺恢复催化剂的活性。二、催化剂失活与再生二、催化剂失活与再生重复脉冲强冲击波产生及应用1.1.1.1.失效催化剂失效原因分析失效催化剂失效原因分析失效催化剂失效原因分析失效催化剂失效原
48、因分析 收集部分失效催化剂，按失效原因，或者主要失效原因分类；收集部分失效催化剂，按失效原因，或者主要失效原因分类；收集部分失效催化剂，按失效原因，或者主要失效原因分类；收集部分失效催化剂，按失效原因，或者主要失效原因分类；根据失效原因、主要失效原因设计不同的实验内容和程序根据失效原因、主要失效原因设计不同的实验内容和程序根据失效原因、主要失效原因设计不同的实验内容和程序根据失效原因、主要失效原因设计不同的实验内容和程序2.2.2.2.强冲击波直接作用于失效催化剂的实验验证强冲击波直接作用于失效催化剂的实验验证强冲击波直接作用于失效催化剂的实验验证强冲击波直接作用于失效催化剂的实验验证 将部分
49、失效催化剂浸泡在纯水中，施以冲击波作用，作用不同将部分失效催化剂浸泡在纯水中，施以冲击波作用，作用不同将部分失效催化剂浸泡在纯水中，施以冲击波作用，作用不同将部分失效催化剂浸泡在纯水中，施以冲击波作用，作用不同次数后，通过搅拌、水洗，实测试验后催化剂的活性和仍然失效的次数后，通过搅拌、水洗，实测试验后催化剂的活性和仍然失效的次数后，通过搅拌、水洗，实测试验后催化剂的活性和仍然失效的次数后，通过搅拌、水洗，实测试验后催化剂的活性和仍然失效的原因。原因。原因。原因。3.3.3.3.强电磁脉冲作用于失效催化剂的实验验证强电磁脉冲作用于失效催化剂的实验验证强电磁脉冲作用于失效催化剂的实验验证强电磁脉冲
50、作用于失效催化剂的实验验证 仅以冲击波作业后还未达到再生目的后，再以强电磁脉冲作用，仅以冲击波作业后还未达到再生目的后，再以强电磁脉冲作用，仅以冲击波作业后还未达到再生目的后，再以强电磁脉冲作用，仅以冲击波作业后还未达到再生目的后，再以强电磁脉冲作用，实验后再次检验催化剂的活性。实验后再次检验催化剂的活性。实验后再次检验催化剂的活性。实验后再次检验催化剂的活性。二、催化剂失活与再生二、催化剂失活与再生重复脉冲强冲击波产生及应用强强强强冲击波再生催化剂的实验研究冲击波再生催化剂的实验研究冲击波再生催化剂的实验研究冲击波再生催化剂的实验研究 根据实验结果，提根据实验结果，提出冲击波、电磁脉冲的工出