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氮氧化物(NOx)是主要的大气污染物之一,也是形成光化学烟雾的主要前驱物,控制和治理氮氧化物的污染一直是国际环保领域的研究热点。对于火电厂、工业锅炉等固定源排放的氮氧化物的净化,最具有实际应用价值的方法是氨选择性催化还原(SCR)技术,目前普遍使用的商用催化剂体系为钒系催化剂,如V2O5/TiO2、V2O5-WO3/TiO2,其工作温度范围为300-400℃,在温度低于200℃时,则不具备良好的催化活性；而另一方面,对于现有的火电厂和工业锅炉而言,烟气在经过除尘和脱硫装置后,其温度下降到150℃左右,如果仍选用目前的商用催化剂来还原脱除烟气中的氮氧化物,则需将烟气重新加热至反应温度,这将造成极大的能耗,并使得SCR工艺成本高昂,因而,低温SCR技术的研究开发已倍受关注,成为烟气氮氧化物脱除的重要发展方向。
本论文对活性碳纤维(ACF)分别负载V2Os、MnOx和CeO2催化剂的低温选择性催化还原NO性能及其结构进行了研究。
首先制备了新型的催化剂。分别采用介质阻挡放电(DBD)的低温氧等离子体技术和硝酸对活性碳纤维进行表面改性,探索一条通过简易、无污染的改性方法使催化剂获取优越低温SCR脱氮效果的技术路径。
对改性后的ACF进行了表征:SEM和BET表明改性后的ACF变得比较干净和光滑,ACF的孔体积变化不大:FT-IR结果表明在ACF上引入了羟基和羧基。以改性后的ACF为载体,采用等体积浸渍法制备了V2O5/ACFN、MnOx/ACFN、CeO2/ACFN和V2O5/ACFP、MnOx/ACFP、CeO2/ACFP催化剂。SEM、BET和XRD分析结果表明,活性组分V2O5、MnOx和CeO2较均匀的负载在载体上。
采用连续流动固定床反应器,对催化剂进行了SCR活性评价,考察了改性条件和负载量等制备条件对催化剂性能的影响。结果表明：存在最佳活性组分负载量,使得SCR活性最高；硝酸改性后的活性碳纤维(ACFN)作为催化剂的载体,其对应的催化剂的SCR活性越高。最佳制备条件为：以ACFN为载体,负载9％CeO2,这种条件制备的催化剂在180℃对NO的转率达到93.96％。
对NO低温SCR反应工艺条件进行了评价,考察了反应温度和反应时间对催化剂性能的影响。结果表明：对于钒催化剂在240℃存在最佳的NO转化率为84.64％、锰催化剂在210℃达到最高的NO转化率为84.87％,而铈催化剂在180℃的催化活性为93.96％；反应时间的增加对催化剂的活性变化不大。
最后进一步研究了CeO2/ACFN催化剂的反应动力学特性,分析结果表明,当NH3/NO小于1.0时,NH3的反应级数为0.6402,当NH3/NO大于1.0时,其反应级数为0;当O2的浓度大于5％时,O2的反应级数为0,建立的动力学公式为：rNO=-dYNO/dt=0.1635exp(7664.0099/RT)[NH3]0.6402[O2]0.3425