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微波催化技术进展
摘要
：
阐述了微波诱导催化技术的基本原理，归纳了微波诱导催化技术在大气
污染控制、
水污染控制、
固体废弃物处理与处置等污
染治理中的应用状况及应用
实例，展望了微波诱导催化技术在污染治理领域中的应用前景
。
关键词
:
微波诱导催化技术；环境；应用
Abstract :
This
article
expounds the basic
principle of microwave induced catalytic
technology,
summarizes the conditions
and examples in the application of air pollution
control and water
pollution control,
solid waste treatment and disposal pollution
control about the microwave
induced
catalytic technology ,and forecast the application
prospect of microwave induced catalytic
technology in the field of pollution
control.
Key words:
Microwave induced catalytic technology;
environment; application
;
引言
20
世纪以来，人类对资源和环境的破坏是前所未有，可以说当今重大的环
境问题几乎都与化
学品的生产有直接或间接的关系。
在本世纪初，
环境与发展间<
/p>
题是世界各国共同面临的两难选择，也是
21
世纪人类所面临的严峻挑战，而环
境问题的解决最终要依靠绿色化学
[1-4]
。可以说，谁在实现化学绿色化和绿色植
物
的化学转化技术方面领先，谁就会在
21
世纪中叶的世界经济竞
争中占据有利
位置。
绿色化工技术的研究与开发主要是围绕
“原子经济”反应、提高化学反应
的选择性、采用无毒无害原料、催化剂和溶剂及环境
友好产品开展的。
如图
1
所示。
在传统生产方法中，
很多大宗化学品
和一些特殊化学品主要是通过非催化有
机合成生产的，
这就导致
了除目的产物外，
还有
20
～
100
种废物产生。
当然还
有一些其他因素，
如分子的复杂性使合成步骤很多以及对精细化学品高纯度要
求等都是造成不良生态环境的原因。
随着化工技术的飞速发展，
催化技术在大宗
化学品和特殊化学品生产中的应用逐渐增加
[5
]
。
1
化学反应与催化技术
早在公元前，中
国已会用酒曲（生物酶催化剂）造酒。
18
世纪中叶，铅室
法制硫酸中用一氧化氮作催化剂是工业上采用催化剂的开始。催化这个词是
< br>1835
年
J.J.
贝采利乌斯
引用到化学学科中来的。
1902
年
W
.
奥斯特瓦尔德将催化
定义为：
“加速
化学反应而不影响化学平衡的作用。
”
1910
年实现合成氨的大规
模生产，是催化工艺发展史上的里程碑。
< br>20
世纪以来，催化工艺迅速发展，例
如，
20
年代研究成功用钴催化剂由一氧化碳和氢合成液体燃料的费
-
托法；
1955
年研究成
功齐格勒
-
纳塔催化剂，用于烯烃定向聚合；现代化学工业和炼
油工业
的生产过程，已有
80%
以上使
用了催化方法。
化学反应物要想发生化学反应，
必须使其化学键发生改变，
改变或者断裂化
学键需要
一定的能量支持，
能使化学键发生改变所需要的最低能量阈值称之为活
< br>化能，
而催化剂通过降低化学反应物的活化能而使化学反应更易进行，
且大大提
高反应速率。
催化即通过催化剂改变反应物的活化能，
改变反应物的化学反应速率，
< br>反应
前后催化剂的量和质均不发生改变的反应
[1]
。
2
催化种类
均相催化：
催化剂与反应物同处于均匀物相中的催化作用。
有液相和气相均
相催化。均相催化剂的活性中心比较均一，选择性较高，副反应较少，易于用光
谱、波谱、同位素示踪等方法来研究催化剂的作用，反应动力学一般不复杂。但
均相催化
剂有难以分离、回收和再生的缺点。
多相催化：
多相催化发生在两相的界面上，
通常催化剂为多孔固体，
反应物
为液体或气体。
若要催化反应进行，
必须至少有一种反应物分子在催化剂表面上
发生化学吸附。
固体催化剂表面是不均匀的，
表面上只有一部分点对反应物分子
起活化作用，这些点被称为活性中心
[2]
。
复相催化：
复相催化是一独立的化学反应。
它兼有均相催化的温度和多相催
化的速度。
同
时具有可控的方向性。
由于催化能力倍增，
使其可从碳水化合物
中
移动氢氧，
而这正是把工业和生物废弃物
“一步法”
转化为标准汽柴油的科学基
础。
列如：
二氧化碳
+
废塑料轮胎—》
汽柴油
+
可燃气
+
炭黑
< br>既解决了空中环境
堵塞，又将地面废弃物转化为能源。
生物催化：
酶是一种生物催化剂，
生物
体内的所有化学变化几乎都是在酶催
化下进行的，酶的催化作用称为生物催化。酶的催化
活性高，选择性强
[3-4,6,8]
。
金属催化：
金属催化剂主要用于脱氢和加氢反应。
有些金属还具有氧化和重
整的催化活性。金属催化剂主要是指
4
、
5
、
6
周期的某些过渡金属，如铁、金、
铂、钯、铑、铱等
。金属催化剂的化学吸附能力和
d
轨道百分数是决定催化活性<
/p>
的主要因素。
金属氧化物催化：
主要是指过渡金属氧化物催化，
非过渡金属氧化物催化已
归入酸碱催化。过渡金属氧化物催化剂广泛用于氧化、加氢、脱氢、聚合、加合
等反应。金属氧化物催化剂的导电性和逸出功、金属离子的
d
电子组态、氧化
物中晶格氧特性、
半
导体电子能带、
催化剂表面吸附能力等，
都与催化剂的催化
活性有关。
配位（络合）催化：金属、特
别是过渡金属及其化合物有很强的络合能力，
能形成多种类型的络合物。
过渡金属络合催化作用一般都是配位
（络合）
催化作<
/p>
用，
即催化剂在其空配位上络合活化反应物分子。
络合催化剂一般都是金属络合
物或化合物，如钯、铑、钛、钴的络合物等。
酸碱催化：阿伦尼乌斯酸碱、布仑斯惕酸碱、路易斯酸碱（见酸碱
理论）的
催化作用都属酸碱催化作用。
多功能催化：若反应物
A
直接变成产物
B
的反应难以进行，则可通过几个
催化化学反应来实现
[4-9]
。
3
微波催化基础
许多有机化合物都不直
接明显地吸收微波，但可利用某种强烈吸收微波的
“敏化剂”
把
微波能传给这些物质而诱发化学反应，
这一概念已被用作诱发和控
制催化反应的依据。如果选用这种“敏化剂”作催化剂或催化剂的载体，就可在
微波辐
照下实现某些催化反应，
这就是所谓的微波诱导催化。
区别于通
常所说的
由于微波热效应而使反应加速的情况，
微波热效应没有
催化剂参与，
而诱导催化
则是微波通过催化剂或其载体发挥其诱
导作用，
即消耗掉的微波能用于诱导催化
反应，
所以称其为微波诱导催化反应。
研究结果已证实微波辐照能促进很多化学
反应的发生。
目前，
微波诱导催化技术已在大
气污染控制、
水污染控制及固体废
弃物处理与处置等环境治理领
域取得了显著效果
[9-13]
。
微波是一种电磁波，
其可以对物体内外同时加热。
微波加
热速度快、
效率
高且无温度梯度，
无滞
后效应。
正因为微波催化技术拥有这些优点，
所以其应用
广泛，如微波辐射诱导催化反应、微波辐射负载催化组分、
微波辐射煅烧催化
剂和微波辐射制造环保用活性炭
[5]
。
3.1
微波诱导催化反应的基本原理
微波诱导催化反应的基本原理可简述如下：
将高强度短脉冲微波
辐照聚集到
含有某种
“敏化剂”
（如铁
磁金属）
的固体催化剂表面上，
由于固体表面点位
（一
般为金属）与微波能的强烈相互作用，微波能将被转化为热能
,
从而使某些表面
点位选择性地被迅速加热到很高
温度。
尽管反应器中的任何有机试剂都不会被微
波直接加热，但
当它们与受激发的表面点位接触时却可发生反应
[14]
。
3.2
微波诱导催化反应的催化剂和载体
微波诱导催化反应常用的催化剂有活性炭、
< br>金属催化剂等。
由于活性炭表面
存在某些过渡金属及其化
合物等磁性物质
,
活性炭对微波有很强的吸收能力。金
属催化剂能与微波发生强烈相互作用的主要是那些铁磁性金属，
如镍、<
/p>
钴和铁等。
对于金属氧化物则视组分和结构不同而有很大差别。<
/p>
S
区的金属氧化物在微波场
中不会引起能
量损耗，
即对微波是透明的，
一般不宜作微波诱导催化反应的催
化
剂。
过渡金属氧化物和
P
区元素的氧化物，
由于存在变价现象，
在微波场中
这类
物质显然会引起能量损耗，
而造成温度升高。
根据部分过渡金属和
P
区金属的氧
< br>化物在微波场中的升温行为及其与微波之间的相互作用情况不同，
可把金属氧化<
/p>
物分成
3
类：一是微波高损耗物质，为一
些含有变价元素的金属氧化物，如：
Ni
2
O
3
、
MnO
2
、
CoO
4
等；二是微波升温曲线有
1
个拐点的物质，这类物质微波场
中辐照一段时间后才开始急剧升温，包括
Fe
< br>2
O
3
、
CdO
、
V
2
O
5
等；三是微波低损
耗物质，它们
在微波场中升温很慢或基本不升温，如
Al
2
< br>O
3
、
TiO
< br>2
、
ZnO
、
< br>PbO
、
La
2
O
3
、
Y
2
O
3
、
ZrO
2
、
Nb
2
O
5
。
很显然，
最适宜作微波诱导催化反应的催化剂是第
1
类金属氧化物或某些复
合氧化物，
即微波高损耗物质；
而载体则宜选用属于微波低损耗物质的金属氧化
物。
因此在实际中微波诱导催化反应所用的催化剂，
还需要通过大量试验来加以
筛选，既考虑其催化活性，又考虑其介电特性
[15-18]
。
4
微波诱导催化技术在环境治理中的应用
4.1
微波诱导催化技术在污水处理中的研究进展
如前所述，
许多有机化合物都不直接明显地吸收微波，
< br>但可利用某种强烈
吸收微波
“敏化剂”
< br>把微波波能传给这些物质而诱发催化反应，
这些物质降解的
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