前言

随着社会快速发展和人们生活水平的提高以及人口的日益增长，人类对能源的需求和消耗大幅增加，且总量越来越大。能源的大量消耗意味着向环境排放的各类污染物，即废气、废水和废弃固体的数量越来越多。人们极其渴望在洁净健康的环境中生活，对环境被污染非常厌恶。人类不断提高的环境意识促使其强烈地要求对污染物排放进行极为严格的控制，要求对污染物进行很好的治理，以快速改善人们赖以生活和生存的环境。世界各国政府为应答人们对环境问题的诉求，相继颁布越来越多的环境保护法律和法规，排放标准越来越高，要求越来越严格，并不断增大法律法规的执行力度。因此，排放污染物的治理不仅对企业来说责无旁贷，也是政府和个人的巨大责任。

几乎所有能源消耗，不管是部门的还是个人的，都会产生和向环境排放包含污染物的废物。由于舆论和媒体（不完全正确）的导向，使老百姓误认为所有污染都是来自化学及其相关工业的。实际上，大量统计数据表明，虽然化学品的生产一般总是会产生废物，但是化学相关工业产生的废气、废水和废弃固体污染物所占比例是不高的。然而，对于已经被排放进入环境的污染物的治理，化学化工过程是不可或缺的，特别是关键的环境催化技术。

环境催化与其他领域对比，其显著不同的特征有：①环境催化的应用条件通常由上游排放污染物的单元确定；②应用环境催化的领域涵盖排放污染物的广泛领域，除炼制和化学工业外，涉及电子、农业/食品、纸浆和造纸、皮革和制革、金属整理等一般工业生产，以及日常生活领域，包括家居或室内应用，如自净化催化炉、屋内燃烧炉、水净化器等和车辆、船舶、航空器等；③环境催化剂的操作条件有时是非常极端的，如很低或很高的温度、进料组成范围快速变化、含无法移去的毒物、极高的空速和超低浓度等。因此，环境催化为解决这类特殊问题，需要使用特殊结构的结构催化剂和反应器。另一个方面是，对污染物的处理绝对不能够影响上游单元的性能，因此在高空速的同时要求极低的压力降。对此，环境催化剂的解决办法也是使催化剂和反应器结构化，因此所有成功应用的环境催化剂都是结构催化剂。这是笔者撰写《结构催化剂与环境治理》一书的引发点之一。笔者在1997年到杭州大学催化研究所工作后发现，该所研究的重点是环境催化技术，第一次真实接触到独居石结构催化剂。鉴于对环境催化的认识，希望推动全国环境催化技术的发展，搭建交流平台，笔者向杭州大学校长郑小明教授以及从事独居石催化剂研究的周仁贤教授建议，共同发起举办全国环境催化学术研讨会，并于当年在杭州召开了首届研讨会。这是笔者写《结构催化剂与环境治理》的另一个引发点，试图总结笔者在催化基础和环境催化实践中积累的知识和经验。

笔者在进入古稀之年的退休阶段，有时间和精力来实现自己长期的催化梦，靠着尚属健康的身体，已经完成有关催化基础的五本书：《吸附与催化》、《催化反应动力学》、《催化反应工程基础》、《催化反应器工程》、《固体催化剂制备原理与技术》。这些书涵盖了催化科学技术几个重要的基础领域。但催化是一门实用科学，催化技术的应用更为重要。在完成《精细化学品催化合成技术》（上、下册）后，接着要写的是催化技术在环境治理中的应用。虽然国内有关环境催化的著作和文章不少，但系统介绍结构催化剂和结构反应器及其在各种污染物治理中（包括移动源和固定源污染物治理）的成功应用和发展，在国内仍然极为鲜见。为了突出结构反应器在环境催化中的特殊地位，把环境领域中应用的催化剂结构化和污染物治理中结构催化剂和反应器的成果结合起来，笔者在参考2006年再版的“Structured Catalysts and Reactors”的基础上，结合大量文献，在介绍结构催化剂及其性质、传递特性和制备技术后，再较详细介绍结构催化剂和反应器在各领域排放污染物治理中所取得的巨大成功，这样就形成了本书自己的特色。

全书共分为11章。第1章绪论介绍化学和催化在国民经济发展和人们生活质量提高中的关键作用。而环境催化技术的最大支柱是结构催化剂和结构反应器技术。结构催化剂和结构反应器主要包括三类：独居石结构、有序排列催化剂反应器和膜反应器。接着在第2章～第4章中，较详细地介绍每类结构催化剂和反应器的构型、基本性质和特征，以及在各类结构材料中的传递现象和结构催化剂的制备技术。重点突出独居石结构，以及结构催化剂的低压力降和短扩散距离的特点。其余7章分别详细介绍结构催化剂和反应器在治理和净化来自移动源和固定源的各种污染物中的具体应用及技术的发展状态。第5章介绍汽车尾气催化转化器，特别是三效催化剂的设计、操作和影响参数，包括活性组分、独居石基体和有氧存储功能载体等。重点放在了对独居石池形状、大小和几何性质以及热和机械性质的设计和改进，也强调了催化转化器包装设计、机械和热耐用性以及车载诊断、贫燃脱氮氧化物催化剂和数学模型等问题。第6章介绍净化柴油机尾气的催化过滤器。在叙述柴油机操作原理的同时介绍其尾气烟雾的生成及净化要求标准和控制排放可采用的各种策略。包括氧化消除烟雾的直接接触、燃料承载和间接接触催化剂，以及连续再生阱技术和NOx移去技术。然后介绍如何设计柴油尾气处理的催化过滤器及其应用和进展。第7章介绍独居石催化剂在挥发性有机污染物（VOCs）控制中的应用。内容包括VOCs污染物的来源和可应用的净化技术，特别是最好的催化氧化技术。包括独居石载体、催化活性组分、催化剂失活以及VOCs催化氧化工艺。第8章介绍固定源氮氧化物的脱除。内容包括选择催化还原（SCR）过程化学、稳态和非稳态动力学、整体型和涂层型独居石催化剂的活性组分和失活原因、实际SCR过程设计以及工艺操作参数、SCR反应器模型、脱NOx和SO2氧化反应间的相互作用、催化吸附工艺（SCONOx）。第9章介绍低NOx排放的催化燃料燃烧。主要内容包括氮氧化物的生成机理，气体透平独居石燃烧器中的催化燃烧技术及其机理、动力学和模型，低温、中温和高温型燃烧催化剂及其基体独居石材料、载体和活性组分，最后对催化燃烧发展现状和前景进行了分析。第10章介绍净化炉气催化结构过滤器。内容包括催化过滤器的概念、多功能反应器、催化过滤器及其制备和应用，以及偶合NOx还原、移去二英和VOCs技术。最后第11章介绍结构催化剂和反应器的其他应用。内容包括平行流反应器（PPR）和横流反应器（LFR）的工业应用、室内污染移去技术、独居石光催化技术在净化空气和废水中的应用、气体传感器、燃料电池电极、催化湿式氧化（CWAO）、水补救和饮用水处理技术、化学品合成和无机膜（如离子传输膜、致密钯膜和沸石膜）的应用。

衷心感谢浙江大学催化研究所和浙江新和成股份有限公司的朋友在本书写作过程中给予的关心、帮助和支持，同时也感谢在资料收集和写作过程中家人和两个女儿的帮助、支持和理解。

由于笔者的时间和水平有限，在书中肯定会存在一些不足之处，敬请同行的专家学者以及广大读者批评指正，不胜感谢。

陈诵英

2015年10月于杭州