CN102259009B - 基于硫酸根促进的TiO2载体的SCR烟气脱硝催化剂及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于硫酸根促进的纳米TiO2载体的SCR烟气脱硝催化剂及制备方法属于环境保护与环境催化领域。本发明是以硫酸根促进的纳米TiO2(SO4 2-/TiO2)为载体、WO3和CeO2为助剂、V2O5为活性组分，获得基于SO4 2-/TiO2载体的中低温烟气脱硝催化剂。在该复合型催化中，V2O5的质量百分比为0.5～1.5％，WO3的质量百分比为4～10％，CeO2的质量百分比为1～5％，其余为SO4 2-/TiO2。对纳米TiO2进行硫酸化处理后，显著增加了催化剂的酸性，而且通过和V2O5、WO3和CeO2之间的相互作用，提高了催化剂的脱硝活性；在以氨为还原剂，温度为150-450℃的范围内都表现出很好的催化活性。

Description

基于硫酸根促进的TiO2载体的SCR烟气脱硝催化剂及制备方法
技术领域
本发明属于环境保护与环境催化领域，具体涉及一种新型的基于硫酸根促进的纳米TiO2载体的SCR烟气脱硝催化剂及制备方法。
背景技术
氮氧化物(NOx)在大气中易形成酸雨、破坏臭氧层造成温室效应，对环境破坏严重；一定条件下会生成光化学烟雾，给人类健康带来了严重的危害。燃煤发电烟气中的NOx是主要的污染源，据统计，我国大气污染物中NOx约60％来自于煤的燃烧，其中，火电厂用煤占了全国燃煤的70％，因此如何有效的控制火电厂NOx排放备受人们关注。随着我国最新的《火电厂大气污染物控制排放标准》的颁布实施，对氮氧化物排放的控制将日趋严格。在众多的脱硝技术中，选择性催化还原(SCR)法脱硝效率最高、选择性好，且技术成熟，是目前火电厂主要的脱硝技术之一。
催化剂是NH3-SCR脱硝技术的关键。目前广泛应用的催化剂主要是金属氧化物型催化剂，其中，钒钛类催化剂由于其活性高、选择性好、抗中毒能力强，已经进入商业应用阶段。这类催化剂一般采用V2O5作为活性组分，发挥着主要催化效果；WO3作为助剂，可进一步提高催化剂的热稳定性、脱硝活性和抗中毒性；锐钛型TiO2作为载体，具有一定的抗硫中毒能力和较少的硫酸盐沉积。然而，商业催化剂的整体脱硝活性还不是很高，而且活性温度范围需进一步扩展。
目前，国内已经申请的关于SCR脱硝催化剂的专利中，载体的种类很多，常用的有TiO2、SiO2、Al2O3等，公开号为CN 101590404A是以单一锐钛型TiO2为载体，CN 1792431A以双氧化物TiO2和Al2O3为复合载体，CN 101428212A中采用锐钛型TiO2和/或堇青石和/或陶瓷纤维复合载体。然而，无论是单一的TiO2载体还是复合载体，都存在着载体表面酸性位不强的问题，从而限制了氨气吸附量，使得催化剂的脱硝活性不高而且活性温度窗口较窄。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于硫酸根促进的纳米TiO2载体的SCR烟气脱硝催化剂及制备方法，本催化剂以硫酸根促进的纳米TiO2(SO4 2-/TiO2)为载体，充分改善载体的性能，同时通过和V2O5、WO3和CeO2之间的相互作用，提高了催化剂的脱硝活性并拓宽催化活性温度窗口。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
在硫酸根促进的纳米TiO2上，负载助剂WO3和CeO2、活性组分V2O5共同构成复合型催化剂；其中，在复合型催化剂中，V2O5、WO3、CeO2各自所占的质量百分比分别为0.5-1.5％、4-10％和1-5％，其余为硫酸根促进的纳米TiO2。
一种基于硫酸根促进的纳米TiO2载体的SCR烟气脱硝催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)纳米SO4 2-/TiO2载体的制备：
量取一定量的纳米TiO2，置于浓度为0.02-1.0mol/L的硫酸溶液中，以使TiO2能完全浸没，在搅拌状态下浸泡一定时间后进行过滤、干燥、焙烧，即得到纳米SO4 2-/TiO2载体；
(2)助剂CeO2的负载：
按照等体积浸渍法，量取一定量的硝酸铈溶于去离子水中，将SO4 2-/TiO2载体加入上述硝酸铈溶液中，超声处理并静置一定时间；而后对上述物料进行干燥、焙烧，即得到CeO2/SO4 2-/TiO2；
(3)助剂WO3和活性组分V2O5的负载：
配置5％的草酸溶液，按照等体积浸渍法，量取一定量的偏钒酸铵，以及钨酸铵或偏钨酸铵溶于草酸溶液中，将CeO2/SO4 2-/TiO2加入上述溶液中，超声处理并静置一定时间；而后对上述物料进行干燥、焙烧，即得到纳米V2O5/WO3-CeO2/SO4 2-/TiO2复合型催化剂，并使得V2O5、WO3、CeO2各自所占的质量百分比分别为0.5-1.5％、4-10％和1-5％。
所述步骤(1)中的浸泡时间为2-48h，步骤(2)或(3)中的静置时间为2-24h。
所述步骤(2)或(3)中的超声处理时间为1-3h。
所述步骤(1)、(2)或(3)中的干燥为自然阴干，干燥时间为24-72h。
所述步骤(1)、(2)或(3)中的干燥为干燥箱干燥，干燥温度为60-120℃，干燥时间为2-24h。
所述步骤(1)、(2)或(3)中的焙烧温度为350-600℃，程序升温速度为0.5-10℃/min，保温时间为1-4h。
本发明的有益效果为：
本发明采用硫酸根促进的纳米TiO2(SO4 2-/TiO2)为载体，具有酸性位点多而强的特点，有利于催化剂对气态NH3的吸附，从而促进脱硝反应的进行。此外，本发明引入CeO2作为助剂，CeO2是一种较为廉价的氧化物，也是稀土氧化物系列中活性最高的一种氧化物催化剂，具有较高的储氧-释氧能力和较强的氧化-还原性能，将CeO2引入脱硝催化剂中，有助于提高催化剂的脱硝活性并拓宽催化活性的温度窗口。SO4 2-/TiO2和V2O5、WO3和CeO2之间存在着相互作用，可以进一步提高催化剂的脱硝活性，并使催化剂在150-450℃的温度范围内都表现出优越的催化活性。
具体实施方式
本发明提供了一种基于硫酸根促进的纳米TiO2载体的SCR烟气脱硝催化剂及制备方法，下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。
下述实施例中的百分含量如无特殊说明均为重量百分含量。
实施例1
(1)纳米5O4 2-/TiO2载体的制备：量取8.93g的纳米TiO2，置于100mL浓度为0.1mol/L的硫酸溶液中，在搅拌状态下浸泡24h；对上述物料进行过滤、置于普通鼓风干燥箱中110℃下干燥10h、马弗炉中500℃下焙烧(程序升温速度为3℃/min，保温时间为3h)，即得到纳米SO4 2-/TiO2载体。
量取质量比为5.61∶1∶9.72的硝酸铈、偏钒酸铵和钨酸铵，具体操作为：
(2)助剂CeO2的负载：按照等体积浸渍法，量取0.505g的硝酸铈溶于8.93g去离子水中，将SO4 2-/TiO2载体加入上述硝酸铈溶液中，超声处理1h并静置2h；而后将上述物料置于普通鼓风干燥箱110℃下干燥3h、马弗炉中450℃焙烧3h(程序升温速度为2℃/min，保温时间为3h)，即得到CeO2/SO4 2-/TiO2。
(3)助剂WO3和活性组分V2O5的负载：按照等体积浸渍法，配置5％的草酸溶液8.93g，量取0.09g的偏钒酸铵和0.875g的钨酸铵溶于草酸溶液中，将CeO2/SO4 2-/TiO2加入上述溶液中，超声处理1h并静置3h；而后将上述物料置于普通鼓风干燥箱110℃下干燥3h、马弗炉中500℃下焙烧3h程序升温速度为2℃/min，保温时间为3h)，即得到纳米0.7％V2O5/8％WO3-2％CeO2/SO4 2-/TiO2复合型催化剂。
采用模拟烟气条件对该脱硝催化剂的性能进行评价，以NH3为还原剂，典型烟气工况下：NO为1000ppm，O2为5％(v/v)，氨氮比为1∶1，N2为平衡气，空速为15000h-1，在反应温度为150℃、300℃、450℃时的脱硝效率分别为68.3％、976％、956％。
实施例2
(1)纳米SO4 2-/TiO2载体的制备：量取8.9g的纳米TiO2，置于100mL浓度为0.15mol/L的硫酸溶液中，在搅拌状态下浸泡24h；对上述物料进行过滤、置于普通鼓风干燥箱中110℃下干燥10h、马弗炉中500℃下焙烧(程序升温速度为3℃/min，保温时间为3h)，即得到纳米SO4 2-/TiO2载体。
量取质量比为5.85∶1∶5.89的硝酸铈、偏钒酸铵和钨酸铵，具体操作为：
(2)助剂CeO2的负载：按照等体积浸渍法，量取0.76g的硝酸铈溶于8.9g去离子水中，将SO4 2-/TiO2载体加入上述硝酸铈溶液中，超声处理1h并静置2h；而后将上述物料置于普通鼓风干燥箱110℃下干燥3h、马弗炉中450℃焙烧3h(程序升温速度为2℃/min，保温时间为3h)，即得到CeO2/SO4 2-/TiO2。
(3)助剂WO3和活性组分V2O5的负载：按照等体积浸渍法，配置5％的草酸溶液8.9g，量取0.13g的偏钒酸铵和0.766g的钨酸铵溶于草酸溶液中，将CeO2/SO4 2-/TiO2加入上述溶液中，超声处理1h并静置3h；而后将上述物料置于普通鼓风干燥箱110℃下干燥3h、马弗炉中500℃下焙烧3h程序升温速度为2℃/min，保温时间为3h)，即得到纳米1％V2O5/7％WO3-3％CeO2/SO4 2-/TiO2复合型催化剂。
采用模拟烟气条件对该脱硝催化剂的性能进行评价，以NH3为还原剂，典型烟气工况下：NO为1000ppm，O2为5％(v/v)，氨氮比为1∶1，N2为平衡气，空速为15000h-1，在反应温度为150℃、300℃、450℃时的脱硝效率分别为70.1％、98％、96.2％。
实施例3
(1)纳米SO4 2-/TiO2载体的制备：量取8.88g的纳米TiO2，置于133.2mL浓度为0.05mol/L的硫酸溶液中，在搅拌状态下浸泡24h；对上述物料进行过滤、置于普通鼓风干燥箱中110℃下干燥10h、马弗炉中500℃下焙烧(程序升温速度为3℃/min，保温时间为3h)，即得到纳米SO4 2-/TiO2载体。
量取质量比为8.08∶1∶3.51的硝酸铈、偏钒酸铵和钨酸铵，具体操作为：
(2)助剂CeO2的负载：按照等体积浸渍法，量取1.26g的硝酸铈溶于8.88g去离子水中，将SO4 2-/TiO2载体加入上述硝酸铈溶液中，超声处理1h并静置2h；而后将上述物料置于普通鼓风干燥箱110℃下干燥3h、马弗炉中450℃焙烧3h(程序升温速度为2℃/min，保温时间为3h)，即得到CeO2/SO4 2-/TiO2。
(3)助剂WO3和活性组分V2O5的负载：按照等体积浸渍法，配置5％的草酸溶液8.88g，量取0.156g的偏钒酸铵和0.547g的钨酸铵溶于草酸溶液中，将CeO2/SO4 2-/TiO2加入上述溶液中，超声处理1h并静置3h；而后将上述物料置于普通鼓风干燥箱110℃下干燥3h、马弗炉中500℃下焙烧3h程序升温速度为2℃/min，保温时间为3h)，即得到纳米1.2％V2O5/5％WO3-5％CeO2/SO4 2-/TiO2复合型催化剂。
采用模拟烟气条件对该脱硝催化剂的性能进行评价，以NH3为还原剂，典型烟气工况下：NO为1000ppm，O2为5％(v/v)，氨氮比为1∶1，N2为平衡气，空速为15000h-1，在反应温度为150℃、300℃、450℃时的脱硝效率分别为72.5％、97.9％、96％。
实施例4
(1)纳米SO4 2-/TiO2载体的制备：量取8.75g的纳米TiO2，置于131.25mL浓度为0.1mol/L的硫酸溶液中，在搅拌状态下浸泡24h；对上述物料进行过滤、置于普通鼓风干燥箱中110℃下干燥10h、马弗炉中500℃下焙烧(程序升温速度为3℃/min，保温时间为3h)，即得到纳米SO4 2-/TiO2载体。
量取质量比为1.28∶1∶5.64的硝酸铈、偏钒酸铵和钨酸铵，具体操作为：
(2)助剂CeO2的负载：按照等体积浸渍法，量取0.25g的硝酸铈溶于8.75g去离子水中，将SO4 2-/TiO2载体加入上述硝酸铈溶液中，超声处理1h并静置3h；而后将上述物料置于普通鼓风干燥箱110℃下干燥3h、马弗炉中450℃焙烧3h(程序升温速度为2℃/min，保温时间为3h)，即得到CeO2/SO4 2-/TiO2。
(3)助剂WO3和活性组分V2O5的负载：按照等体积浸渍法，配置5％的草酸溶液8.75g，量取0.195g的偏钒酸铵和1.1g的钨酸铵溶于草酸溶液中，将CeO2/SO4 2-/TiO2加入上述溶液中，超声处理1h并静置3h；而后将上述物料置于普通鼓风干燥箱110℃下干燥3h、马弗炉中500℃下焙烧3h程序升温速度为2℃/min，保温时间为3h)，即得到纳米1.5％V2O5/10％WO3-1％CeO2/SO4 2-/TiO2复合型催化剂。
采用模拟烟气条件对该脱硝催化剂的性能进行评价，以NH3为还原剂，典型烟气工况下：NO为1000ppm，O2为5％(v/v)，氨氮比为1∶1，N2为平衡气，空速为15000h-1，在反应温度为150℃、300℃、450℃时的脱硝效率分别为71.9％、986％、967％。

Claims (6)

1.一种基于硫酸根促进的纳米TiO2载体的SCR烟气脱硝催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）纳米SO4 2-/TiO2载体的制备：
量取一定量的纳米TiO2，置于浓度为0.02-1.0 mol/L的硫酸溶液中，以使TiO2能完全浸没，在搅拌状态下浸泡一定时间后进行过滤、干燥、焙烧，即得到纳米SO4 2-/TiO2载体；
（2）助剂CeO2的负载：
按照等体积浸渍法，量取一定量的硝酸铈溶于去离子水中，将SO4 2-/TiO2载体加入上述硝酸铈溶液中，超声处理并静置一定时间；而后对上述物料进行干燥、焙烧，即得到CeO2/SO4 2-/TiO2；
（3）助剂WO3和活性组分V2O5的负载：
配制5%的草酸溶液，按照等体积浸渍法，量取一定量的偏钒酸铵，以及钨酸铵或偏钨酸铵溶于草酸溶液中，将CeO2/SO4 2-/TiO2加入上述溶液中，超声处理并静置一定时间；而后对上述物料进行干燥、焙烧，即得到纳米V2O5/WO3-CeO2/SO4 2-/TiO2复合型催化剂，并使得V2O5、WO3、CeO2各自所占的质量百分比分别为0.5-1.5%、4-10%和1-5%。
2.根据权利要求1所述的基于硫酸根促进的纳米TiO2载体的SCR烟气脱硝催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中的浸泡时间为2-48h，步骤（2）或（3）中的静置时间为2-24 h。
3.根据权利要求1所述的基于硫酸根促进的纳米TiO2载体的SCR烟气脱硝催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）或（3）中的超声处理时间为1-3 h。
4.根据权利要求1所述的基于硫酸根促进的纳米TiO2载体的SCR烟气脱硝催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）、（2）或（3）中的干燥为自然阴干，干燥时间为24-72 h。
5.根据权利要求1所述的基于硫酸根促进的纳米TiO2载体的SCR烟气脱硝催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）、（2）或（3）中的干燥为干燥箱干燥，干燥温度为60-120℃，干燥时间为2-24 h。
6.根据权利要求1所述的基于硫酸根促进的纳米TiO2载体的SCR烟气脱硝催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）、（2）或（3）中的焙烧温度为350-600℃，程序升温速度为0.5-10℃/min，保温时间为1-4 h。
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