常温低浓度NO催化净化用纳米氧化锰的合成、性能与工况应用研究

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隧道、地下停车场等半封闭空间空气流通性差,机动车尾气滞留在里面成为污染物集中地。其主要污染物氮氧化物NOx(NO占90%以上)浓度高达数ppm,甚至数十ppm,远高于我国环境空气质量标准要求(<0.05 ppm,GB3095-2012),对司乘人员身体健康造成严重威胁,因此常温低浓度NOx的治理十分迫切。  锰氧化物被广泛报道,在很多催化反应中表现出很好的催化性能。课题组前期工作中,发现锰氧化物对NO的常温催化效果显著。在此基础上,本文重点探讨弱晶化的锰氧化物对常温低浓度NO的催化净化,并探索了整体式催化剂的涂覆工艺,分别在实验室和地下隧道工程示范装置中进行了性能测试。主要研究内容及结论包括以下三个部分:  1)简单氧化还原法合成Mg/MnOx及其常温NO去除应用:通过调控反应温度、Mg掺杂量以及烘干时间,确定最佳的制备条件:反应温度60℃,Mg(CH3COO)2·4H2O和Mn(CH3COO)2·4H2O摩尔比0.5,烘干时间12h。在实验室条件下100%去除率能维持10h,大于50%去除率能维持16h。形貌、结构及比表面积、孔径分布测试表明其具有疏松的贯穿孔道结构以及无定形的结构,有利于气质传输和活性位点的暴露。Mg的掺杂能提高材料的NOx吸附能力,有利于催化反应的进行。通过MS,FTIR,in-situ FTIR等表征测试,我们提出催化剂是由吸附的NOx逐渐覆盖活性位而引起失活。  2)微波辅助法合成弱晶化氧化锰及其常温NO去除应用:通过微波温度、时间的调控,得到最佳的合成条件:即微波加热温度40℃,微波时间5 min。最佳NO去除率50%以上超过30h。制得的氧化锰材料呈现纳米花瓣状的弱晶化结构,具有三维贯通的孔道,有利于催化反应中气体分子的传输和吸附。红外测试显示催化剂是由表面生成并积累的硝酸盐覆盖活性位而逐渐失活。通过XPS表征,提出基于Mars-van Krevelen mechanism机理的吸附氧参与的三价锰和四价锰之间的氧化还原循环催化NO氧化反应的机理,其中形成的中间体Mn4+-O-作为活性中心。  3)整体式催化剂的涂覆工艺改进及其性能测试:堇晶石载体预先涂铝胶、活性组分浆料中添加硅胶、涂覆2次等措施可有效提高浆料的负载率。通过实验室测试,发现优化的工艺所制得的样品能保持较好的催化活性,因此该涂覆工艺可进一步用于大块整体催化剂的制备。将堇晶石载体预涂铝胶并煅烧,浸渍涂覆优化的弱晶化MnOx浆料,大大增加了浆料和载体的附着力,减少了催化剂掉粉现象,配合碱处理过的蜂窝碳载体,在模拟中试装置运行测试中70%以上的NO去除率维持达到400小时以上,并表现出较好的稳定性,具有良好的NOx催化净化效果。
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