NO吸附-分解催化新体系构建及过程特性研究

• 作 者: 宋淑美
• 机 构: 山东大学
• 出 处: 山东大学
• 发表日期: 2008年12期
• 关键词: 氮氧化物

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污染一直是国际环保领域的研究热点。在众多的脱硝方法中催化分解法和选择性催化还原法(SCR)的研究和应用最为广泛。以氨气为还原剂的SCR技术已在工业中广泛应用，但投资和运行费用较高，且存在氨泄露、管道腐蚀和储运安全等问题。催化分解法无需还原剂、方法简单、且投资和运行费用较低，但迄今人们所开发的相关催化剂其催化活性大都因气相中氧气或水蒸汽的存在而受到抑制，并且催化剂起活温度高，大多在300℃以上。因此，有关NOx催化分解新体系的研究开发一直都是该领域的研究热点。将环境友好型杂多化合物(heteropoly compounds简写为HPCs)应用于NOx的催化分解可望避免氧气与水蒸汽抑制的问题，显示了很好的研究开发前景。
本论文通过系统的实验设计与优化，制备并考察了杂多化合物及其负载型催化剂对NOx的脱除效果，构建了具有吸附-分解NOx功能的杂多化合物催化新体系，揭示了体系性能的构效关系，并借助现代化分析手段，揭示了吸附-分解过程机理。主要内容分为三部分：
第一部分，初步确定了杂多化合物催化新体系的工艺条件，在有氧条件下考察了空速、水蒸汽含量、反应温度对体系脱硝性能的影响。结果表明：最佳的工艺条件为水蒸汽含量4.2％，反应温度150℃，空速5298h-1。杂多化合物催化剂有效解决了传统催化剂所存在的氧气、水蒸汽抑制和起活温度高等问题。
第二部分，采用乙醚萃取法等制备出一系列具有Keggin结构的杂多化合物，考察了其对NOx的吸附性能，筛选出了最佳物种HPW；在此基础上，选择碳纳米管(CNT)、二氧化钛(TiO2)、铈锆氧化物、Y分子筛，活性炭、堇青石和活性白土为载体，采用常规浸渍法，制备出一系列的负载型磷钨酸催化剂，考察其对NOx的吸附性能，筛选出优良体系HPW/CNT、HPW/TiO2和HPW/CeO2，对其进行了XRD、BET、IR、TEM表征。结果表明：混酸(VHNO3：VH2SO4=1:3)能在CNT上引入C=O、COO-等含氧基团，以水为浸渍剂、混酸处理后的CNT为载体，HPW的最佳负载量为70％时，HPW/CNT催化体系对NOx的吸附性能最佳，吸附率高达73.5％；以水为浸渍剂，HPW负载量为20％，TiO2锻烧温度为500℃时，所制备的HPW/TiO2催化体系对NOx的吸附性能最佳，吸附率可达62.8％；HPW负载量为70％时，HPW/CeO2对NOx的吸附性能最佳，吸附率高达75.3％。以上催化体系对NOx的吸附性能与其比表面积相关性不大，主要是负载其上的HPW的假液相过程。第三部分，对最终优选体系HPW和HPW/CeO2吸附-分解NOx的过程特性和机理进行了研究。HPW/CeO2的适宜吸附条件为：氧气含量8％，水蒸汽含量4.2％，吸附反应温度170℃，空速2649h-1～5298h-1，与初步确定的工艺条件基本一致。计算出150℃下两种体系的饱和吸附量分别为50.5mg NO2/g和85.6mgNO2/g。通过IR表征揭示了吸附质与催化剂的作用方式，通过GC-MS检测确认了吸附质催化分解为N2的有效性。