CN101028596B - 一种氮氧化物氧化催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氮氧化物氧化催化剂的制备方法，将1-5％的聚乙二醇水溶液倒入2-5％的醋酸锰水溶液，搅拌均匀，再倒入1-4％的高锰酸钾水溶液，连续搅拌4-6h，将混合液过滤，收集所得固体物即为催化剂前驱体，用去离子水洗涤3-4次；于60～70℃下干燥至水份含量低于5质量％后，再粉碎制成40～60目的颗粒，即制得锰基纳米粉体氧化物催化剂。其特征是具有较大的比表面积，含有NO的废气在催化剂表面吸附活化，与废气中的氧反应，接触面大，对NO转化效率高，能显著提升液相吸收法的脱硝效率，当催化反应温度为200℃即可获得约70％的催化转化效率，当温度升至400℃时，尾气中NO2/(NO+NO2)的比值可高达92％。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种氮氧化物氧化催化剂的制备方法，于催化技术应用于大气污染净化技术领域。
二、技术背景
光化学烟雾、酸雨、温室效应以及臭氧层空洞效应等影响人类生存的环境问题大多都与排放到大气中的NOx以及烃类密切相关。目前国际上多采用氨选择性催化还原法对固定源废气中的氮氧化物进行净化处理，该法运行稳定，选择性好，脱硝效率高。中国专利CN1413765A中公开了一种以氨为还原剂将氮氧化物选择性催化还原为氮气的催化剂，该催化剂以氧化铝为载体，主要活性组分为铜(0.5～30％，以金属计的质量比)和锰(0.1～10％，以金属计)。该催化剂在150～300℃反应温度下，NO转化效率达67～98％。中国专利CN1660492A中公开了一种低温下脱除氮氧化物的催化剂，该催化剂以氧化铁(50～80％，质量比)，二氧化锰或氧化铝或三氧化铬(3～30％，质量比)，氧化铜(0.5～10％，质量比)为主要活性组分，属于复合金属氧化物催化剂，在140℃时以氨为还原剂可使1500ppm的NO减少93％。选择性催化还原法虽然效率较高，但设备投资大，运行费用高，同时还存在氨的储存问题(防腐蚀、防泄漏)，因此国内并未推广使用。
氧化吸收法亦是常用的工业废气脱硝方法之一，即在氧化剂和催化剂作用下，将尾气中NO氧化成溶解度高的NO2和N2O3，然后用水或碱液吸收实现脱硝。该法既实现了废气脱硝净化，也实现了氮氧化物的回收利用，在湿法排烟脱氮工艺中应用较多。按NO氧化方式的不同可分为液相氧化吸收法、气相氧化吸收法和催化氧化吸收法，相较而言后者脱硝效率较为理想。
与其它脱硝技术相比而言，吸收法技术成熟，工艺路线简洁，设备运转稳定，已经达到工业化应用程度，但因脱硝效率不够理想、设备庞大等问题而无法进一步推广应用。究其原因：废气中氮氧化物的主要成分为溶解度极低的NO，造成吸收过程中气液相传质阻力较大，严重影响了液相吸收工艺的净化效率。采用适合的催化剂促进NO氧化转化为具有较高溶解度的NO2能够显著促进气液传质过程，进而大幅提高液相吸收净化工艺的净化效率。相较而言，复合氧化物催化剂要优于单组分催化剂，添加贵金属组分能够提高催化剂的氧化能力。但从催化剂成本考虑，采用复合多组分催化剂或添加贵金属组分，虽能改善催化剂的催化氧化能力，但却使催化剂的制造成本大大提高，经济性欠佳。因此，相对廉价且高效的氧化催化剂更为实用。
三、发明内容
本发明的目的在于提供一种氮氧化物氧化催化剂及其制备方法和应用。该催化剂的活性突出：200℃时，其氧化活性是普通催化剂的4.7倍。
本发明的氮氧化物氧化催化剂为锰基纳米粉体氧化物催化剂。
本发明的催化剂的制备方法包括如下步骤：
1.分别制备溶液I、II和III
溶液I：制备2～5质量％醋酸锰水溶液；溶液II：制备1～5质量％聚乙二醇(PEG400)水溶液；溶液III：制备1～4质量％高锰酸钾(KMnO4)水溶液；
2.为保证溶质的充分溶解，可以将容器置于恒温水浴中并进行加温搅拌，促进溶解；
3.室温条件下，将溶液II添加到溶液I中，同时均匀搅拌，得II+I溶液；
4.室温条件下，向上述II+I溶液中再加入溶液III，持续搅拌6～8h，得混合液；
5.将混合液过滤，收集滤出的的固体物即为催化剂的前驱体，用去离子水洗涤催化剂前驱体3～4次，再于60～80℃下干燥4-6h，至水份含量低于5质量％；
6.将干燥所得固体物粉碎制成40～60目的颗粒，即可得到锰基纳米粉体氧化物催化剂。
含有NO的废气进入装配有本发明的锰基纳米粉体氧化物催化剂床层后，在催化剂表面吸附活化，与废气中的氧反应，转化为NO2，再进入吸收净化装置实现废气脱硝。
与公知技术相比，本发明巨有的优点及积极效果
1、整个装置运行费用相对低廉，NO转化效率较高，能显著提升液相吸收法的脱硝效率，而高效氧化催化剂的使用则是提高脱硝效率的关键。
2、催化剂的实质为锰基纳米粉体氧化物，特征是具有较大的比表面积(100～150m2/g)，粉体催化剂的平均粒径小(＜60nm)，含有多种氧化态，颗粒晶化度极低，大部分颗粒呈无定形结构。含有NO的废气在催化剂表面吸附活化，与废气中的氧反应，因此接触面大，氧化催化率高。
3、200℃即可获得约70％的催化转化效率，而采用常规方法制备的普通氧化催化剂在该温度下的催化转化效率仅为15％；当催化反应温度升至400℃时，尾气中NO2/(NO+NO2)的比值(体积比)可高达92％。
四、附图说明
图1为实施例1获得的锰氧化物催化剂与采用柠檬酸法(常规方法)制备的锰氧化物催化剂对NO催化氧化能力对比图。图中1是本发明制备的锰基纳米粉体氧化物催化剂催化氧化能力曲线，2是采用柠檬酸法(常规方法)制备的锰氧化物催化剂催化氧化能力曲线。
五、具体实施方式
实施例1：将2％(质量比)的聚乙二醇(PEG400)水溶液倒入3％(质量比)的醋酸锰水溶液，搅拌均匀；再倒入3％(质量比)的高锰酸钾(KMnO4)水溶液，并将容器置于40～50℃的恒温水浴中搅拌30min；冷却至室温条件下，连续搅拌6h；将混合液过滤，收集所得固体物(催化剂前驱体)，用去离子水洗涤3次；于60～70℃下干燥5h后，再粉碎制成40～60目的颗粒，即可制得锰基纳米粉体氧化物催化剂A。
催化氧化反应条件：催化剂0.5g；反应器入口气体成分(体积比)NO 0.05％，NO2/(NO+NO2)＜5％，O2 3％，氮气为载气；气体总流速300cm3·min-1(空速＝47000h-1)
催化氧化效果：
| 反应温度，℃ | NO<sub>2</sub>/(NO+NO<sub>2</sub>)％，体积比 | 反应温度，℃ | NO<sub>2</sub>/(NO+NO<sub>2</sub>％，体积比 |
| 100150 | 39.854.3 | 200250 | 66.281.5 |
实施例2：将1％(质量比)的聚乙二醇(PEG400)水溶液倒入5％(质量比)醋酸锰水溶液，均匀搅拌；再倒入4％(质量比)高锰酸钾(KMnO4)水溶液，将容器置于40～50℃恒温水浴中搅拌30min；冷却至室温条件下，连续搅拌7h；将混合液过滤，收集所得的固体物(催化剂前驱体)，用去离子水洗涤3次；于70～80℃下干燥4h，再粉碎制成40～60目的颗粒，即可制得锰基纳米粉体氧化物催化剂B。
催化氧化反应条件同上。
催化氧化效果：
| 反应温度，℃ | NO<sub>2</sub>/(NO+NO<sub>2</sub>)％，体积比 | 反应温度，℃ | NO<sub>2</sub>/(NO+NO<sub>2</sub>)％，体积比 |
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实施例3：将3％(质量比)的聚乙二醇(PEG400)水溶液倒入4％(质量比)醋酸锰水溶液，均匀搅拌；再倒入2.5％(质量比)高锰酸钾(KMnO4)水溶液，将容器置于30～40℃恒温水浴中搅拌30min；冷却至室温条件下，连续搅拌8h；将混合液过滤，收集所得的固体物(催化剂前驱体)，用去离子水洗涤4次；于60～70℃下干燥5h，再粉碎制成40～60目的颗粒，即可制得锰基纳米粉体氧化物催化剂C。
催化氧化反应条件同上。
催化氧化效果：
| 反应温度，℃ | NO<sub>2</sub>/(NO+NO<sub>2</sub>)％，体积比 | 反应温度，℃ | NO<sub>2</sub>/(NO+NO<sub>2</sub>)％，体积比 |
| 100150200 | 41.255.868.3 | 250300400 | 82.790.592.4 |
Claims (2)
1.一种氮氧化物氧化催化剂的制备方法，其特征在于：其按以下步骤完成，
1)、分别制备溶液I、II和III
溶液I：制备2～5质量％醋酸锰水溶液；溶液II：制备1～5质量％聚乙二醇水溶液；溶液III：制备1～4质量％高锰酸钾水溶液；
2)、室温条件下，将溶液II添加到溶液I中，同时均匀搅拌，得II+I溶液；
3)、室温条件下，向II+I溶液中再加入溶液III，持续搅拌6～8h，得混合液；
4)、将混合液过滤，收集滤出的固体物即为催化剂的前驱体，用去离子水洗涤催化剂前驱体3～4次，再于60～80℃下干燥4-6h，至水份含量低于5质量％；
5)、将干燥所得固体物粉碎制成40～60目的颗粒，得到氮氧化物氧化催化剂。
2.根据权利要求1所述的氮氧化物氧化催化剂的制备方法，其特征在于：将2质量％的聚乙二醇水溶液倒入3质量％的醋酸锰水溶液，搅拌均匀；再倒入3质量％的高锰酸钾水溶液，并将容器置于40～50℃的恒温水浴中搅拌30min；冷却至室温条件下，连续搅拌6h；将混合液过滤，收集所得催化剂前驱体，用去离子水洗涤3次；于60～70℃下干燥5h后，再粉碎制成40～60目的颗粒，制得氮氧化物氧化催化剂。
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