前言

隨著社會快速發展和人們生活水平的提高以及人口的日益增長，人類對能源的需求和消耗大幅增加，且總量越來越大。能源的大量消耗意味著向環境排放的各類污染物，即廢氣、廢水和廢棄固體的數量越來越多。人們極其渴望在潔凈健康的環境中生活，對環境被污染非常厭惡。人類不斷提高的環境意識促使其強烈地要求對污染物排放進行極為嚴格的控制，要求對污染物進行很好的治理，以快速改善人們賴以生活和生存的環境。世界各國政府為應答人們對環境問題的訴求，相繼頒布越來越多的環境保護法律和法規，排放標準越來越高，要求越來越嚴格，并不斷增大法律法規的執行力度。因此，排放污染物的治理不僅對企業來說責無旁貸，也是政府和個人的巨大責任。

幾乎所有能源消耗，不管是部門的還是個人的，都會產生和向環境排放包含污染物的廢物。由于輿論和媒體（不完全正確）的導向，使老百姓誤認為所有污染都是來自化學及其相關工業的。實際上，大量統計數據表明，雖然化學品的生產一般總是會產生廢物，但是化學相關工業產生的廢氣、廢水和廢棄固體污染物所占比例是不高的。然而，對于已經被排放進入環境的污染物的治理，化學化工過程是不可或缺的，特別是關鍵的環境催化技術。

環境催化與其他領域對比，其顯著不同的特征有：①環境催化的應用條件通常由上游排放污染物的單元確定；②應用環境催化的領域涵蓋排放污染物的廣泛領域，除煉制和化學工業外，涉及電子、農業/食品、紙漿和造紙、皮革和制革、金屬整理等一般工業生產，以及日常生活領域，包括家居或室內應用，如自凈化催化爐、屋內燃燒爐、水凈化器等和車輛、船舶、航空器等；③環境催化劑的操作條件有時是非常極端的，如很低或很高的溫度、進料組成范圍快速變化、含無法移去的毒物、極高的空速和超低濃度等。因此，環境催化為解決這類特殊問題，需要使用特殊結構的結構催化劑和反應器。另一個方面是，對污染物的處理絕對不能夠影響上游單元的性能，因此在高空速的同時要求極低的壓力降。對此，環境催化劑的解決辦法也是使催化劑和反應器結構化，因此所有成功應用的環境催化劑都是結構催化劑。這是筆者撰寫《結構催化劑與環境治理》一書的引發點之一。筆者在1997年到杭州大學催化研究所工作后發現，該所研究的重點是環境催化技術，第一次真實接觸到獨居石結構催化劑。鑒于對環境催化的認識，希望推動全國環境催化技術的發展，搭建交流平臺，筆者向杭州大學校長鄭小明教授以及從事獨居石催化劑研究的周仁賢教授建議，共同發起舉辦全國環境催化學術研討會，并于當年在杭州召開了首屆研討會。這是筆者寫《結構催化劑與環境治理》的另一個引發點，試圖總結筆者在催化基礎和環境催化實踐中積累的知識和經驗。

筆者在進入古稀之年的退休階段，有時間和精力來實現自己長期的催化夢，靠著尚屬健康的身體，已經完成有關催化基礎的五本書：《吸附與催化》、《催化反應動力學》、《催化反應工程基礎》、《催化反應器工程》、《固體催化劑制備原理與技術》。這些書涵蓋了催化科學技術幾個重要的基礎領域。但催化是一門實用科學，催化技術的應用更為重要。在完成《精細化學品催化合成技術》（上、下冊）后，接著要寫的是催化技術在環境治理中的應用。雖然國內有關環境催化的著作和文章不少，但系統介紹結構催化劑和結構反應器及其在各種污染物治理中（包括移動源和固定源污染物治理）的成功應用和發展，在國內仍然極為鮮見。為了突出結構反應器在環境催化中的特殊地位，把環境領域中應用的催化劑結構化和污染物治理中結構催化劑和反應器的成果結合起來，筆者在參考2006年再版的“Structured Catalysts and Reactors”的基礎上，結合大量文獻，在介紹結構催化劑及其性質、傳遞特性和制備技術后，再較詳細介紹結構催化劑和反應器在各領域排放污染物治理中所取得的巨大成功，這樣就形成了本書自己的特色。

全書共分為11章。第1章緒論介紹化學和催化在國民經濟發展和人們生活質量提高中的關鍵作用。而環境催化技術的最大支柱是結構催化劑和結構反應器技術。結構催化劑和結構反應器主要包括三類：獨居石結構、有序排列催化劑反應器和膜反應器。接著在第2章～第4章中，較詳細地介紹每類結構催化劑和反應器的構型、基本性質和特征，以及在各類結構材料中的傳遞現象和結構催化劑的制備技術。重點突出獨居石結構，以及結構催化劑的低壓力降和短擴散距離的特點。其余7章分別詳細介紹結構催化劑和反應器在治理和凈化來自移動源和固定源的各種污染物中的具體應用及技術的發展狀態。第5章介紹汽車尾氣催化轉化器，特別是三效催化劑的設計、操作和影響參數，包括活性組分、獨居石基體和有氧存儲功能載體等。重點放在了對獨居石池形狀、大小和幾何性質以及熱和機械性質的設計和改進，也強調了催化轉化器包裝設計、機械和熱耐用性以及車載診斷、貧燃脫氮氧化物催化劑和數學模型等問題。第6章介紹凈化柴油機尾氣的催化過濾器。在敘述柴油機操作原理的同時介紹其尾氣煙霧的生成及凈化要求標準和控制排放可采用的各種策略。包括氧化消除煙霧的直接接觸、燃料承載和間接接觸催化劑，以及連續再生阱技術和NOx移去技術。然后介紹如何設計柴油尾氣處理的催化過濾器及其應用和進展。第7章介紹獨居石催化劑在揮發性有機污染物（VOCs）控制中的應用。內容包括VOCs污染物的來源和可應用的凈化技術，特別是最好的催化氧化技術。包括獨居石載體、催化活性組分、催化劑失活以及VOCs催化氧化工藝。第8章介紹固定源氮氧化物的脫除。內容包括選擇催化還原（SCR）過程化學、穩態和非穩態動力學、整體型和涂層型獨居石催化劑的活性組分和失活原因、實際SCR過程設計以及工藝操作參數、SCR反應器模型、脫NOx和SO2氧化反應間的相互作用、催化吸附工藝（SCONOx）。第9章介紹低NOx排放的催化燃料燃燒。主要內容包括氮氧化物的生成機理，氣體透平獨居石燃燒器中的催化燃燒技術及其機理、動力學和模型，低溫、中溫和高溫型燃燒催化劑及其基體獨居石材料、載體和活性組分，最后對催化燃燒發展現狀和前景進行了分析。第10章介紹凈化爐氣催化結構過濾器。內容包括催化過濾器的概念、多功能反應器、催化過濾器及其制備和應用，以及偶合NOx還原、移去二英和VOCs技術。最后第11章介紹結構催化劑和反應器的其他應用。內容包括平行流反應器（PPR）和橫流反應器（LFR）的工業應用、室內污染移去技術、獨居石光催化技術在凈化空氣和廢水中的應用、氣體傳感器、燃料電池電極、催化濕式氧化（CWAO）、水補救和飲用水處理技術、化學品合成和無機膜（如離子傳輸膜、致密鈀膜和沸石膜）的應用。

衷心感謝浙江大學催化研究所和浙江新和成股份有限公司的朋友在本書寫作過程中給予的關心、幫助和支持，同時也感謝在資料收集和寫作過程中家人和兩個女兒的幫助、支持和理解。

由于筆者的時間和水平有限，在書中肯定會存在一些不足之處，敬請同行的專家學者以及廣大讀者批評指正，不勝感謝。

陳誦英

2015年10月于杭州