吸附—低温等离子体催化净化NO研究

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目前大气污染情况日益严重,而NOx是大气中形成光化学烟雾和酸雨的主要污染物。一氧化氮(NO)作为固定燃烧源的主要污染物之一,其引起的环境问题和人类健康问题引起了广泛的关注。当前应用较为广泛的尾气脱硝方法主要是选择性催化还原法(SCR)。然而SCR技术存在着催化剂中毒、氨泄漏、窄温度工作带以及费用昂贵等问题。针对SCR的问题,很多新兴的NOx控制技术正在研发,其中,由于低温等离子体在净化空气污染方面的高效率、低能耗等优点,逐渐引起了研究者广泛的关注。而选择合适的添加剂、催化剂、吸附剂或填料等与低温等离子体结合将是比较有发展前景的技术,低温等离子体协同催化剂分解技术能够有效避免高温,并且提高分解效率。本研究针对采用催化剂吸附与低温等离子体协同催化净化技术,对燃煤烟气中的NO脱除开展研究。主要取得了如下研究结果:(1)比较分析NTP技术单独分解NO、NTP协同催化分解NO和吸附-NTP脱附分解NO三种不同方法的NO去除率和反应的能耗,证明了吸附-低温等离子体催化净化NO研究可行性。(2)对比三种常用吸附剂的反应活性,选择具有较高比表面积和孔容的椰壳活性炭作为载体。采用过量浸渍的方法,以过渡金属硝酸盐为催化剂活性组分,制备不同活性组分的负载型催化剂,并考察制备条件对反应活性的影响。实验表明:椰壳活性炭为载体、选用硝酸铜为前驱体、铜元素负载量为10%、焙烧温度为400-C所制备的催化剂反应活性较为理想。对催化剂进行动态吸附、FT-IR、 TPD、 XPS等表征,获得其结构和形貌等特性,进而探讨了制备方法对催化剂结构和反应活性的影响,结果表明:采用硝酸铜为前驱体所制备得催化剂具有较高的吸附能力,并且有一定的NO分解能力,使其具有较高活性。另外,铜元素负载量为10%的催化剂,其表面Cu2+较多,使其反应活性较好。(3)优化NTP反应器参数中,考察了本实验系统下放电电压、电源频率、运行时间、重复次数对反应活性的影响:在其他条件相同的情况下,随着放电电压的增大,NO脱除率增大,能效减少。当电压一定时,随着电源频率的增大,能效减少,NO的脱除率呈现先增大后减小的趋势。转化率随运行时间变化不大,随着NTP运行时间的增加,能效降低。综合能效和脱除率,匹配催化剂在放电电压为4.5kV,电源频率为7.5kHz,运行时间为15min时,反应活性最好。随着重复次数增多,能效及NO脱除率减小。对催化剂进行BET、 XPS表征,结果表明:随着重复次数的增加,催化剂的总孔体积和微孔体积有所下降,微孔所占比例增加,重复八次之后的催化剂表面上大多数氧用于铜氧化物的生成,导致吸附能力降低,并且,其表面的Cu2+的含量减少,使得其分解能力降低,最终导致其整体活性的降低。(4)实验中考察了放电电压为4.5kV,电源频率为7.5kHz,运行时间为15min下,进口不同NO浓度对反应活性的影响:在一定范围内,NO脱除率都在94%以上,在该实验条件下NO最佳初始浓度为500ppm;氧是催化剂表面主要的氧化活性物种,实验中考察了氧气浓度分别为0%、3%、5%、8%时吸附-低温等离子体催化净化NO的活性,在无氧体系中,NO吸附量较少,导致其NO脱除率与能效较低,随着氧含量的增加,产生的自由基和活性粒子增多,使得NO转化率升高,但当氧气浓度过高时,副反应发生,NO的浓度增加,对NO的转化起到抑制作用,因而会降低本实验反应活性;此外,本实验系统存在最佳空速,空速较小时,停留时间增加,NO脱除率较高,随着空速的增加,停留时间减少,NO脱除率随之降低。
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