CN103097020A - 催化剂材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及包含一定量的金属的颗粒形式的基于TiO2的催化剂材料,涉及其制备方法以及涉及用于除去污染物、特别是来自燃烧气体的氮氧化物的用途。
Description
本发明涉及催化剂材料,更准确而言是基于TiO2的催化剂材料,其包含一定量的金属氧化物和/或金属氧化物前体,涉及其制备方法以及涉及其用于除去污染物、特别是来自燃烧气体的氮氧化物的用途。
燃烧中形成的氮氧化物导致呼吸器官发炎和损伤(特别是在二氧化氮的情形中),由于硝酸的形成而形成酸雨。在从烟气除去氮氧化物中(也称作脱NOx),例如从燃煤或燃气轮机发电站的废气除去氮氧化物,如一氧化氮(NO)和氮氧化物(NOx)。
作为从废气除去氮氧化物的措施,还原方法例如选择性催化方法(选择性的催化还原,SCR)在现有技术中是已知的。术语SCR是指选择性催化还原来自燃烧设备、生活垃圾焚烧设备、燃气轮机、工业设备和发动机的废气中的氮氧化物的技术。
许多这样的催化剂含有TiO2,TiO2本身充当催化剂或者在与过渡金属氧化物或贵金属组合的情况下充当助催化剂。SCR催化剂上的化学反具有选择性,即氮氧化物(NO,NO2)被优先还原,而不期望的副反应(例如二氧化硫氧化为三氧化硫)得到很大程度的抑制。
存在两种类型的用于SCR反应的催化剂。一种类型基本上由二氧化钛、五氧化二钒和氧化钨构成。其它类型是基于沸石结构。在现有技术中还向这两个体系加入其它金属组分。
对于TiO2-WO3-V2O5催化剂,V2O5在涂覆WO3的TiO2(为锐钛矿变型形式)上主要起催化活性物质作用。TiO2上的WO3涂层旨在起阻挡层作用以防止钒扩散到TiO2中和相关的活性降低以及形成金红石。
根据按照US 4085193的现有技术,提出了将掺杂WO3的TiO2用于催化应用,包括作为脱NOx催化剂。由其已知的方法是基于将钨组分加入到钛组分例如偏钛酸、水合钛氧化物或二氧化钛悬浮液中)并随后进行煅烧以将表面积调整为约100m2/g。
然而,在进一步处理催化剂原料之前通常需要另外的复杂碾磨步骤。这是因为离开煅烧炉或在150℃-800℃热处理后的含钨的二氧化钛材料为聚结体形式,其中个体颗粒通过烧结桥或类似连接方式彼此连接。对于相对高品质的催化剂,特别是具有非常低的网厚度的催化剂蜂窝体,在“基面涂覆(washcoat)”到蜂窝体的情形之下施涂含钨的二氧化钛的作法中,碾磨是不可缺少的。
在工业中,通常在摆旋式碾磨机例如Raymond碾磨机中进行该碾磨处理。
DE 102008033093描述了一种制备催化剂材料的方法,所述催化剂材料包含任选含钨的二氧化钛材料,在该方法中通过在辊式碾磨机、特别是Gutbett辊式碾磨机中进行碾磨来生产含二氧化钛的催化剂材料作为中间体,在碾磨后、特别是即刻之后作为中间体离开辊式碾磨机的薄片不进行任何解团聚和/或分散处理。
对于在存在氨的条件下选择性地从烟气和废气除去氮氧化物而言,催化剂的孔隙率对于含二氧化钛的催化剂的催化活性也是至关重要的。因此,EP516262描述了一种成型多孔载体,该载体由单独的二氧化钛颗粒或者二氧化钛颗粒与另一种多孔无机氧化物颗粒的混合物构成,其中该成型载体具有0.8cm3/cm3的总孔隙率,该总孔隙率的组成为:0.05-0.5cm3/cm3的涵盖孔径为60nm或更小的孔隙的微孔孔隙率,和0.05-0.5cm3/cm3的涵盖直径大于60nm的孔隙的大孔孔隙率。该催化剂载体优选通过将可烧除的材料与二氧化钛颗粒混合并将该混合物成型来制备。
因此本发明的目的是提供与现有技术中已知的材料相比显示出改善的性能的催化剂材料。
该目的通过提供颗粒形式的基于TiO2的催化剂材料得以实现,所述催化剂材料含有一定含量的选自氧化钒和氧化钨的金属氧化物和/或其前体,其中在分散后的平均粒径D50为D50<1.0μm,优选<0.8μm,并且颗粒的中孔的体积(中孔体积)大于0.26cm3/g。
为测定中孔体积,进行N2孔隙率测量法。下面进一步描述原理。
为测定分散后的平均粒径D50,通过超声探头(处于最大功率,制造商:Branson Sonifier 450,采用借助于具有可更换的平坦工作尖端的Booster Horn“Gold”,1/2”钛管提高幅度)将粉状催化剂材料在水中分散5分钟。借助于激光光散射进行粒径测定。此处,所报导的平均粒径D50是以体积百分数计的体积分布的D50中值。
相比于可由现有技术已知的材料,根据本发明的催化剂材料具有较高的中孔体积,这产生较高的催化活性。此外,本发明的含钨和/或含钒二氧化钛形式的催化剂材料显示出非常良好的可分散性和最优化的孔隙分布。
这样的含钨二氧化钛,其即使作为粉末,例如在施用前,也具有最优化的孔隙分布,这在现有技术中是未知的。
在催化剂材料的其它实施方案中,90%的颗粒具有小于1.5μm的粒径和小于1.0μm的平均粒径(以体积百分数计的体积分布的D50中值,在每种情形中通过激光光散射进行测定)。
此外,本发明的优选含钨的催化剂材料的孔隙出人意料地具有最大值在8-12nm和15-20nm的双峰中孔分布。在另一方面,可由现有技术已知的材料,通常具有主要最大值在4-7nm的大致为单峰的中孔分布。因此本发明还提供了根据本发明的基于TiO2的催化剂材料,其具有最大值在8和12nm和另一最大值在15-20nm的双峰中孔分布。
在本发明的描述中,文献中常规的孔径大小定义描述于例如“工业催化工艺基础(Fundamentals of Industrial Catalytic Processes)”,R.J.Farrauto,C.H.Bartholomew,Blackie Academic&Professional,1997,78页中。该文献定义了d孔直径>50nm的孔为大孔,d孔=3-50nm的孔为中孔和d孔<3nm的孔为微孔。
孔径分布本身影响择形性并且由于较大孔半径而使气体较快速地扩散进出颗粒成为可能。这同时由于较大孔半径而导致较低的孔阻塞倾向。此外,较大的孔半径有助于用其它活性金属氧化物(例如氧化钒)另外浸渍多孔的含钨二氧化钛,且表面积的较大部分可因此涂覆有氧化钒并因此具有催化活性。
为了以基面涂层(washcoat)形式施涂例如含钨的二氧化钛,将二氧化钛分散在水中。通常将悬浮液的pH值调整为pH值<7。优选将二氧化钛进行碾磨直到达到所定义的粒径。就本发明而言,良好的可分散性意味着在碾磨后粒径为d50<1μm,优选d50<0.8μm。
基面涂层中(例如含钨的)二氧化钛的粒径分布基本上决定了成品基面涂层(其附着到基材上)的机械性能以及基面涂覆处理期间悬浮液的流变性能。基面涂层中的粗颗粒分布可导致基面涂层对基材差的附着性。在现有技术中尚未知晓如何在不进行高花费的碾磨步骤情况下制备可易于分散的(含钨)二氧化钛,但是根据本发明使得这成为可能。
由于本发明催化剂材料的较好可分散性,即在分散后较低的粒径,所产生的基面涂层的附着性得到改善,并且提高可接触表面积。
基于所用二氧化钛和金属化合物总量计,本发明基于TiO2的催化剂材料优选含有小于30%重量的金属氧化物和/或其前体。就本发明而言,其前体例如是氧化物的水合形式、氢氧化物等,它们热转变成金属氧化物。此处基于所用二氧化钛和金属氧化物或化合物总量计,8-15%的金属氧化物、特别是WO3是合适的。特别优选通过加入铵化合物例如铵钨酸盐将金属氧化物或其前体引入催化剂材料中。就本发明而言,金属氧化物前体例如是氧化物的水合形式、氢氧化物等,它们热转变成金属氧化物。
本发明人发现,本发明催化剂材料的100m2/g、200m2/g和300m2/g的比表面积值在每种情形下对应于在每种情形下基于所用二氧化钛与金属氧化物和/或其前体总量计,15%重量、30%重量和45%重量的金属氧化物量。本发明因此在每种情形下还提供了含有至多15或45%重量和相应比表面积的催化剂材料。
本发明的催化剂材料可通过如下方法获得,在该方法中初始加入具有优选200-400g TiO2/l的偏钛酸TiO(OH)2含量的悬浮液,使该悬浮液的pH值变为3-8,经过熟化时间后,优选在60-100℃的温度下持续至多180分钟的时段,对其进行水热处理,优选在150-300℃的温度下持续至多24小时的时段,洗涤和过滤所获得的悬浮液并对过滤出的颗粒状物质进行干燥,在该方法过程期间向悬浮液加入金属的可溶性化合物。
可在水热处理之前或之后进行可溶性金属化合物的加入,在将pH值调整为3-8之前进行加入也是可能的。可溶性金属化合物的加入优选在pH调节之后、在水热处理之前进行。然而,还可分多个步骤进行金属化合物的加入,即在水热处理之前和之后加入部分量。
作为可溶性金属化合物,可使用热转变成催化活性金属氧化物和/或金属氧化物前体,例如转变成SnO2、CeO2、VOx、CrOx、MoOx、WOx、MnOx、FeOx和NiO以及CoOx的化合物。根据本发明,特别优选加入优选为钒酸盐或钨酸盐形式的钒化合物和/或钨化合物。极其特别优选使用偏钨酸铵。
根据本发明,可使用任何中和试剂进行pH值的调整,但是优选使用氨水,具体来说这是因为可以避免引入碱金属离子。
可在调整pH值之前任选加入磷酸。这提高了最终产品的热稳定性。
在水热处理后可任选加入硫酸铵。这使得硫酸盐(sulfate)含量的目标设定成为可能。这使得能够进一步提高热稳定性和催化活性。
本发明因此使得能够克服现有技术材料的缺点,特别是提供了一种制备含有TiO2的催化剂材料的方法,该方法产生基于锐钛矿形式TiO2的催化剂材料,该催化剂材料具有良好的可分散性和双峰中孔分布。
依发明人看来,通过使用水热方法使得这基本上成为可能。此处,不同于进行灼烧(ignition)的情形,在过滤和洗涤并将悬浮液的pH调整为pH值=3-8后,将TiO2(以水合氧化钛的形式存在)引入压力容器(高压釜)中且维持在>100℃的温度1小时至数天(例如5天)的时间段。该处理步骤称作水热处理(另外参见Ullmanns Enzyklopadle der Technischen Chemie,第4版,1978,15卷,117ff页:K.Recker,生长单晶(growing single crystals))。TiO2(以水合氧化钛的形式存在)的水热处理的优选时间段为2-24小时,特别优选4-8小时。以这种方式,通过随着搅拌进行水热处理可在水性悬浮液中实现更均匀的晶体生长,这是因为与煅烧形成对照的是没有产生“热点(hot spot)”。
可通过本发明方法获得的催化剂材料,特别是作为经干燥的材料时,可进一步直接使用并且通常不必进行碾磨。
总之,本发明方法因此提供了以下工艺步骤:
-初始加入水合氧化钛悬浮液形式的起始材料
-任选加入磷酸
-任选加入优选呈水溶性的金属化合物,特别是钨化合物(极其特别优选偏钨酸铵)
-将pH值调节至pH=3-8(特别是借助于氨水)
-任选加入优选呈水溶性的金属化合物,特别是钨化合物(极其特别优选偏钨酸铵)
-熟化时间
-水热处理
-过滤和洗涤
-任选加入硫酸铵
-任选加入优选呈水溶性的金属化合物,特别是钨化合物(极其特别优选偏钨酸铵)
-干燥(优选喷雾干燥或碾磨干燥)
-任选碾磨。
根据本发明可在各个处理阶段加入金属化合物,特别是钨化合物。因此,可在各个处理阶段,例如在调整pH值之前和在水热处理之前,加入钨组分总量的部分量。出人意料地发现以这种方式制备的催化剂材料具有良好的可分散性和双峰中孔分布。
通过下面实验和对比实验以及图1-8描述本发明。
根据本发明的制备实施例
以下材料用作起始材料:
制备例1
将5.6L上述水合氧化钛悬浮液引入10L的玻璃烧杯中并用1067g TE水稀释。在搅拌的同时将该混合物加热到60℃。通过加入氨水溶液将pH值调整为pH=8.0。将约5800ml悬浮液置于10L压力容器中。将该悬浮液在约180℃和10巴的条件下HT处理4小时。在冷却过夜后,该悬浮液仍处于约65℃。过滤该悬浮液。以约8L TE水/kg的量洗涤固体。用TE水将滤饼浆化并在搅拌的同时将悬浮液与476g AMT溶液混合。由于在添加期间悬浮液变稠,用TE水将其稀释至约7L。将悬浮液喷雾干燥。在下表l中给出了结果。
制备例2
将5.6L上述水合氧化钛悬浮液引入10L的玻璃烧杯中并用1067g TE水稀释。然后通过氨水溶液将pH值调整为pH=3.0。在搅拌的同时将该混合物加热到60℃并首先在该温度下维持1小时。随后加入828g AMT溶液。将约5800ml悬浮液置于10L压力容器中。将该悬浮液在约180℃和10巴的条件下HT处理4小时。在冷却过夜后,该悬浮液仍处于约65℃。过滤该悬浮液。以约6L TE水/kg的量洗涤固体。用TE水将滤饼浆化至约5L并将悬浮液喷雾干燥。
制备例3
将5.6L上述水合氧化钛悬浮液引入10L的玻璃烧杯中并用1067g TE水稀释。加入16ml磷酸(pH 1.8)。在搅拌的同时将该混合物加热到60℃(pH1.4)。然后在约24分钟(15ml/min)的时段内将354ml氨水加入到悬浮液中以将pH值调整为5.0。将约5800ml该悬浮液置于10L压力容器中。将该悬浮液在约180℃和10巴的条件下HT处理4小时。在冷却经过周末后,该悬浮液仍处于约25℃。过滤该悬浮液。以约6L TE水/kg的量洗涤固体。用TE水将滤饼浆化并在搅拌的同时将悬浮液与476g AMT溶液进行混合。因为在加入期间该悬浮液变稠,所以用TE水将其稀释至约7L。将该悬浮液喷雾干燥。
制备例4
将1955ml上述水合氧化钛悬浮液引入10L的玻璃烧杯中并用5045g TE水稀释。加入5.6ml磷酸(pH 1.8)。在搅拌的同时将该混合物加热到60℃(pH1.7)。然后在约8分钟(15ml/min)的时段内将125ml氨水加入到悬浮液以将pH值调整为6.9。将约5600ml该悬浮液置于10L压力容器中。将该悬浮液在约180℃和10巴的条件下HT处理4小时。在冷却过夜后,该悬浮液仍处于约60℃。以约2L TE水/kg的量洗涤固体。用TE水将滤饼浆化并在搅拌的同时将悬浮液与164g AMT溶液进行混合。因为在加入期间该悬浮液变稠,所以用TE水将其稀释至约3.5L。将该悬浮液喷雾干燥。
表1显示了制备例1-4的产物的分析以及表面积、孔径大小和热稳定性的测定。
为测定中孔体积,如上文所述,进行N2孔隙率测量法。原理例如描述于“工业催化工艺基础(Fundamentals of Industrial Catalytic Processes)”,R.J.Farrauto,C.H.Bartholomew,Blackie Academic&Professional,1997,122页中。对于样品制备,将样品在规定条件下干燥(于减压下16小时和在T=180℃下于减压下1小时)。对于该测量,例如使用来自Quantachrome的测量仪器“Autosorb-6”。为测定中孔体积,由BJH方法(按照Barret,Joyner和Halenda)进行评估。
在附图1-4中显示了制备例1-4中制得的材料的孔隙分布。
对比实验
按照与根据本发明的制备例相同的方式,就对比实验1-4以相当(comparable)的浓度制备水合氧化钛悬浮液并且按下表2中所示处理该悬浮液。作为起始材料,使用以下材料:
对比例1
将1815ml上述水合氧化钛悬浮液引入5L的玻璃烧杯中并用1815ml水稀释。测得pH值为1.7。在搅拌的同时通过使用氨水溶液将pH值调整为pH=6.8。在室温下搅拌该混合物2小时。将该悬浮液进行抽滤并用5.6L TE水洗涤固体(=8L/kg TiO2)。将滤饼(1810.4g=38.67%TiO2)分成份(divide)。通过高速混合器将776.0g滤饼分散在TE水中并稀释至大约1.5L。在搅拌的同时于15分钟的时段内滴加83.25g AMT溶液。将该混合物在室温下搅拌另外1小时。将该悬浮液引入瓷蒸发皿中。在150℃下进行盘式干燥过夜。在460℃进行灼烧。将产物进行碾磨。
对比例2
将来自对比例1的剩余滤饼在干燥烘箱中于150℃干燥过夜,在研钵中研磨并分成两个半份。将一个半份与55.6g AMT溶液混合。在Nabertherm炉中于460℃进行灼烧。将产物进行碾磨。
对比例3
将来自对比例2的第二个半份在Nabertherm炉中于460℃进行煅烧。然后将其与55.6g AMT溶液混合。将产物进行碾磨。
对比例4
在5L实验室反应器中进行后处理。为此目的,将1500mL上述水合氧化钛悬浮液引入产品容器中并用1500ml水稀释。
后处理条件:
之前和期间的温度
加入AMT:80℃
加入AMT:在20分钟的时段内(160.8g)
加入AMT后的温度:沸点
熟化:在沸点下2h
加入H3PO4:在约90℃熟化后(6.17g)
在加入H3PO4后进一步搅拌:约30分钟,同时冷却至约40℃
悬浮液的pH值:1.0
将悬浮液抽滤。将滤饼在150℃下进行板式干燥。
将产物在460℃下进行灼烧并随后使用Braunmix碾磨附加装置进行碾磨。
比较例1-4制得的材料的孔隙分布见图5-8。
由制备例和对比例的结果对比可看出,根据本发明的材料与根据现有技术制备的材料相比在颗径、孔径和孔径方面具有改善的性能。
Claims (10)
1.一种颗粒形式的基于TiO2的催化剂材料,该催化剂材料包含选自氧化钒、氧化钨和/或它们的前体的金属氧化物,其中50%体积的颗粒具有小于1μm的粒径,颗粒的中孔体积大于0.260cm3/g。
2.如权利要求1所述的基于TiO2的催化剂材料,基于所用二氧化钛和金属氧化物总量计,所述催化剂材料包含小于30%重量的金属氧化物和/或其前体。
3.如权利要求1所述的基于TiO2的催化剂材料,基于所用二氧化钛和金属氧化物总量,所述催化剂材料包含8-15%重量的作为钨酸盐使用的金属氧化物和/或其前体。
4.一种制备如权利要求1-3中任一项所述的基于TiO2的催化剂材料的方法,其中初始加入含有优选200-400g TiO2/l的水合氧化钛TiO(OH)2的水性悬浮液,使该悬浮液的pH值变为3-8,经过熟化时间后,对其进行水热处理,洗涤并过滤所获得的悬浮液,对过滤出的颗粒状材料进行干燥,在该方法过程期间向悬浮液加入选自钒和钨的金属的可溶性化合物。
5.如权利要求4所述的方法,其中在水热处理之前进行所述金属的可溶性化合物的加入。
6.如权利要求5所述的方法,其中在将pH值调节至范围3-8之后和在水热处理之前进行所述金属的可溶性化合物的加入。
7.如权利要求4-6中任一项所述的方法,其中加入以下物质作为金属:钒化合物或钨化合物,优选为钒酸盐或钨酸盐形式,特别优选为偏钨酸铵的形式。
8.如权利要求4-7中任一项所述的方法,其中通过使用氨水使悬浮液的pH值变为3-8。
9.通过权利要求4-8中任一项所述的方法制备的催化剂材料或者权利要求1-3中任一项所述的基于TiO2的催化剂材料的用途,其用于制备废气催化剂、用于化学催化过程或者作为光催化剂。
10.通过权利要求4-8中任一项所述的方法制备的催化剂材料或者权利要求1-3中任一项所述的基于TiO2的催化剂材料的用途,其用于除去废气中的污染物、特别是氮氧化物。
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