CN102658195A - 一种直接催化分解氧化亚氮催化剂的制备方法 - Google Patents

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杨飞飞
朱伟东
钟依均
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Abstract

本发明涉及一种直接催化分解氧化亚氮催化剂的制备方法。本发明针对现有的Fe/ZSM-5沸石所存在的在水蒸汽环境中会使Fe/ZSM-5脱铝严重，降低沸石的结晶度，导致催化效率降低的不足之处，提供一种在水蒸汽环境中Fe/ZSM-5不会脱铝，沸石的结晶度高，可提高催化效率的直接催化分解氧化亚氮催化剂的制备方法。本发明的直接催化分解氧化亚氮催化剂的制备方法是：以ZSM-5沸石分子筛为载体，Fe为活性组分，其中，ZSM-5沸石分子筛Si/Al为≥15，Fe含量为0.05～5wt.％，该催化剂的制备方法是：在含氨气、水蒸汽和惰性气体的气氛中，Fe/ZSM-5催化剂在400～900℃的温度下处理0.5～10小时。经本发明方法处理后得到的Fe/ZSM-5催化剂相与现有的Fe/ZSM-5催化剂相比，其N2O催化分解性能有很大提高。

Description

一种直接催化分解氧化亚氮催化剂的制备方法
技术领域
本发明涉及一种直接催化分解氧化亚氮催化剂的制备方法。
背景技术
氧化亚氮，N2O，俗称笑气，是一种无色有甜味的气体，它有轻微的麻醉作用，并能致人发笑。由于它长期以来被认为是无害物质，因而常常被科学家们所忽视。氧化亚氮在常温下非常稳定且能在大气中稳定存在长达150年，是主要的温室气体之一(仅次于CO2和CH4)。其全球变暖潜能值GWP≈310，分别是CO2和CH4的310倍和21倍。同时它还是一种臭氧破坏物质，它的臭氧消耗潜能值ODP≈0.017，因为它在太阳紫外线照射下产生的NO能与O3发生反应，导致臭氧浓度下降，进而引起臭氧层空洞。
N2O的来源主要来自自然界和人类活动两方面。大部分N2O的排放都来自人类活动，主要包括化工生产(己二酸和硝酸的生产)、化石燃料燃烧以及高温燃烧的锅炉尾气和机动车尾气的排放等。将N2O在催化剂作用下直接分解为N2和O2是一种有效的N2O处理途径。
N2O直接催化分解反应催化剂主要分为贵金属催化剂、金属氧化物催化剂以及分子筛催化剂三大类[Applied Catalysis B：Environmental 9(1996)25]。对于贵金属催化剂通常负载Pd、Ir、Pt等活性组分并以氧化锌、氧化钛或氧化铝等为载体，具有催化活性高、低温活性好和较强的抗硫和抗水蒸汽能力等优点，但是贵金属催化剂价格昂贵、稳定性差限制了其在N2O直接催化降解中的应用。金属氧化物主要包括单金属氧化物、负载的金属及金属氧化物(CN1460536A)。但是这类催化剂存在易硫中毒且存在低温活性差、高温老化后会失活等缺点。
Fe/ZSM-5沸石具有良好的N2O催化分解性能，尤其在水蒸汽环境中调变其活性中心时，经水蒸汽处理后可进一步提高其催化性能[Journal of Catalysis 214(2003)33]，在N2O直接催化分解反应中显示了良好的应用前景；但它存在着在水蒸汽环境中会使Fe/ZSM-5脱铝严重，降低沸石的结晶度，导致催化效率降低的不足之处。
发明内容
本发明针对现有的Fe/ZSM-5沸石所存在的在水蒸汽环境中会使Fe/ZSM-5脱铝严重，降低沸石的结晶度，导致催化效率降低的不足之处，提供一种在水蒸汽环境中Fe/ZSM-5不会脱铝，沸石的结晶度高，可提高催化效率的直接催化分解氧化亚氮催化剂的制备方法。
本发明一种直接催化分解氧化亚氮催化剂的制备方法，该催化剂以ZSM-5沸石分子筛为载体，Fe为活性组分，其中，ZSM-5沸石分子筛Si/Al为≥15，Fe含量为0.05～5wt.％，该催化剂的制备方法是：在含氨气、水蒸汽和惰性气体的气氛中，Fe/ZSM-5催化剂在400～900℃的温度下处理0.5～10小时。
在上述的一种直接催化分解氧化亚氮催化剂的制备方法中，在含氨气和水蒸汽的惰性气体的气氛中，氨气0.5～5v％，水蒸汽5～80v％，惰性气体15～95v％。
在上述的一种直接催化分解氧化亚氮催化剂的制备方法中，所述的惰性气体为氮气、氦气、氩气中的一种或一种以上。
在上述的一种直接催化分解氧化亚氮催化剂的制备方法中，所述的ZSM-5沸石分子筛为氢型ZSM-5沸石分子筛。
在上述的一种直接催化分解氧化亚氮催化剂的制备方法中，在含氨气、水蒸汽和惰性气体的气氛中，Fe/ZSM-5催化剂在500～650℃的温度下处理4～6小时。
经本发明方法处理后得到的Fe/ZSM-5催化剂相与现有的Fe/ZSM-5催化剂相比，其N2O催化分解性能有很大提高，使用本发明的催化剂，在N2O浓度为3000ppm，He为载气，质量总空速为48000ml.g-1.h-1时，反应温度在450～500℃即可实现N2O完全催化分解，显示了良好的催化活性。
具体实施方式
下面通过实例对本发明一种直接催化分解氧化亚氮催化剂的制备方法作进一步说明，但本发明并不局限于以下实例。
实施例1
将2g氢型Fe/ZSM-5(Fe 0.5wt.％，Si/Al＝25)置于固定床反应器中，将氨水(25wt.％)以0.022ml/min流量进入气化室中，气化后，与氮气(70ml/min)混合后进入固定床反应器，处理温度为500℃，处理时间为4小时，得到催化剂。催化反应在常规固定床微型反应装置上进行，反应器为内径4mm石英管，He气为平衡气，气体流量(298K，1atm)为40ml/min，N2O浓度为3000ppm，催化剂装填量为50mg，总空速为48000ml.g-1.h-1，反应温度为400～600℃。反应后流出气通过气相色谱在线检测，检测器为TCD-ECD。反应结果如表1所示。
实施例2
将2g氢型Fe/ZSM-5(Fe 0.5wt.％，Si/Al＝15)置于固定床反应器中，将氨水(25wt.％)以0.022ml/min流量进入气化室中，气化后，与氮气(70ml/min)混合后进入固定床反应器，处理温度为600℃，处理时间为5小时，得到催化剂。催化反应评价条件同实施例1，反应结果如表1所示。
实施例3
将2g氢型Fe/ZSM-5(Fe 0.5wt.％，Si/Al＝25)置于固定床反应器中，将氨水(25wt.％)以0.003ml/min流量进入气化室中，气化后，与氮气(70ml/min)混合后进入固定床反应器，处理温度为600℃，处理时间为6小时，得到催化剂。催化反应评价条件同实施例1，反应结果如表1所示。
实施例4
将2g氢型Fe/ZSM-5(Fe 0.5wt.％，Si/Al＝25)置于固定床反应器中，将氨水(25wt.％)以0.052ml/min流量进入气化室中，气化后，与氮气(70ml/min)混合后进入固定床反应器，处理温度为600℃，处理时间为5小时，得到催化剂。催化反应评价条件同实施例1，反应结果如表1所示。
实施例5
将2g氢型Fe/ZSM-5(Fe 0.5wt.％，Si/Al＝∞)置于固定床反应器中，将氨水(25wt.％)以0.022ml/min流量进入气化室中，气化后，与氮气(70ml/min)混合后进入固定床反应器，处理温度为500℃，处理时间为4小时，得到催化剂。催化反应评价条件同实施例1，反应结果如表1所示。
实施例6
将2g氢型Fe/ZSM-5(Fe 5wt.％，Si/Al＝25)置于固定床反应器中，将氨水(25wt.％)以0.022ml/min流量进入气化室中，气化后，与氮气(70ml/min)混合后进入固定床反应器，处理温度为500℃，处理时间为4小时，得到催化剂。催化反应评价条件同实施例1，反应结果如表1所示。
对比例1
将2g氢型Fe/ZSM-5(Fe 0.5wt.％，Si/Al＝25)置于固定床反应器中，将去离子水以0.022ml/min流量进入气化室中，气化后，与氮气(70ml/min)混合后进入固定床反应器，处理温度为600℃，处理时间为5小时，得到催化剂。催化反应评价条件同实施例1，反应结果如表1所示。
对比例2
将2g氢型Fe/ZSM-5(Fe 0.5wt.％，Si/Al＝25)置于固定床反应器中，在600℃下焙烧5小时，得到催化剂。催化反应评价条件同实施例1，反应结果如表1所示。
表1 不同温度下N2O催化降解的转化率
Figure BDA0000159448460000031

Claims (5)

1.一种直接催化分解氧化亚氮催化剂的制备方法，其特征在于该催化剂以ZSM-5沸石分子筛为载体，Fe为活性组分，其中，ZSM-5沸石分子筛Si/Al为≥15，Fe含量为0.05～5wt.％，该催化剂的制备方法是：在含氨气、水蒸汽和惰性气体的气氛中，Fe/ZSM-5催化剂在400～900℃的温度下处理0.5～10小时。
2.根据权利要求1所述的一种直接催化分解氧化亚氮催化剂的制备方法，其特征在于在含氨气和水蒸汽的惰性气体的气氛中，氨气0.5～5v％，水蒸汽5～80v％，惰性气体15～95v％。
3.根据权利要求1或2所述的一种直接催化分解氧化亚氮催化剂的制备方法，其特征在于所述的惰性气体为氮气、氦气、氩气中的一种或一种以上。
4.根据权利要求1或2所述的一种直接催化分解氧化亚氮催化剂的制备方法，其特征在于所述的ZSM-5沸石分子筛为氢型ZSM-5沸石分子筛。
5.根据权利要求1或2所述的一种直接催化分解氧化亚氮催化剂的制备方法，其特征在于在含氨气、水蒸汽和惰性气体的气氛中，Fe/ZSM-5催化剂在500～650℃的温度下处理4～6小时。
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