掺杂菱铁矿催化剂柴油机尾气SCR脱硝性能研究

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随着柴油车数量的增加,柴油机NOx排放污染问题日益突出。SCR技术的NOx脱除效率高,是最具潜力的柴油机NOx排放控制手段之一。该技术核心在于高效催化剂,而传统V2O5/TiO2催化剂虽然NOx脱除效率较高,但价格昂贵、活性温度窗口较窄,而且钒有毒,不适用于柴油机尾气脱硝,因此开发宽活性温度窗口、价格低廉且安全无毒的催化剂成为柴油机尾气SCR脱硝技术的研究热点。本文以菱铁矿为原料,采用混合搅拌法制备了Ce掺杂、Mn掺杂、W掺杂、Ce/W同时掺杂和Mn/W同时掺杂的多种改性菱铁矿SCR脱硝催化剂,进行脱硝活性测试,研究不同金属元素掺杂对催化剂脱硝活性的影响,并通过XRF、BET、XRD、NH3-TPD等物理化学表征分析手段,分析掺杂前后菱铁矿催化剂的元素组成、孔隙结构、结晶情况和表面酸性等性质。主要结论如下:(1)煅烧温度对菱铁矿催化剂SCR脱硝活性有一定影响,500℃煅烧菱铁矿SCR脱硝活性温度窗口最宽为240330℃。此温度下煅烧的菱铁矿主要成分为Fe2O3,同时含有MnO,且比表面积大,能够提供的活性位多,铁氧化物、锰氧化物的催化活性和Fe、Mn元素之间的相互作用是其具有较高SCR脱硝效率的主要原因。(2)掺杂Ce对菱铁矿催化剂低温催化脱硝活性有明显提升作用,但却不易于保持催化剂高温段活性;Ce掺杂量为3%时活性温度窗口最宽为180330℃。掺杂W明显提高催化剂的高温催化脱硝活性,但对催化剂低温段活性有抑制作用;W0.03-菱铁矿催化效果最好,活性温度窗口为240390℃。掺杂Mn可以显著提高菱铁矿催化剂的低温催化脱硝活性,而且对催化剂高温段活性无明显影响;Mn0.03-菱铁矿催化效果最好,在180330℃温度区间内,催化剂催化脱硝效率达90%以上。表征分析结果表明:掺杂Ce、W、Mn有利于增大催化剂的比表面积,抑制催化剂的表面结晶,增强表面吸附中心酸性,有利于催化反应的进行。(3)对菱铁矿催化剂同时掺杂Ce/W两种元素发现:掺杂1%Ce3%W的菱铁矿催化剂活性温度窗口最宽为180360℃。同时掺杂Mn/W,发现最佳掺杂量为1%Mn3%W,Mn0.01W0.03-菱铁矿催化剂的活性温度窗口为200390℃,与柴油机尾气排放温度200400℃十分接近,适用于柴油机尾气SCR脱硝。研究氨氮比、氧浓度和空速对Mn0.01W0.03-菱铁矿催化剂脱硝效率的影响发现:氨氮比为1.01.1,氧浓度为3%,空速为30000h-1时,催化剂的催化脱硝效率最高。
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