CN103170359A

CN103170359A - 一种甲烷催化燃烧催化剂及其制备方法

Info

Publication number: CN103170359A
Application number: CN 201110435157
Authority: CN
Inventors: 邹娟珍; 姚炜; 周洁; 刘洋; 张豪杰; 何丹农
Original assignee: Shanghai National Engineering Research Center for Nanotechnology Co Ltd
Current assignee: Shanghai National Engineering Research Center for Nanotechnology Co Ltd
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2013-06-26

Abstract

本发明涉及一种甲烷催化燃烧催化剂，其特征在于，所述催化剂的组分和质量百分比为：96～98%的分子筛，1～3%的氧化钴，1～3%的氧化铁和0～3%的氧化钕。本发明还涉及该催化剂的制备方法，包括如下步骤：配制浓度为0.05～0.25mol/l的过硫酸铵和过氧化氢的氧化改性剂混合溶液，且过硫酸铵和过氧化氢摩尔比为1：1，将分子筛浸渍于该混合溶液中超声波清洗，干燥；配制含有钴、铁和钕的混合盐溶液，将制得的分子筛浸渍于混合盐溶液中，水浴蒸干，干燥；将干燥后的分子筛焙烧，即得本发明的整体催化剂。本发明所得的催化剂用于甲烷催化燃烧反应，在空气与甲烷体积比为99的条件下，可在250～300℃将50%甲烷催化燃烧,450～500℃将甲烷完全燃烧。该催化剂具有成本低廉，制备方法简单等特点。

Description

一种甲烷催化燃烧催化剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种催化剂及其制备方法，特别是涉及一种甲烷催化燃烧催化剂及其制备方法。

背景技术

天然气由于其储量丰富、价格低廉、污染小、热效率高等特点被誉为可替代煤和石油的新一代清洁能源。甲烷催化燃烧既可以提高能源的利用率，又可以减少燃烧过程中氮氧化物的生成，是一种环境友好的燃烧过程。

目前，用于甲烷催化燃烧的催化剂以负载型贵金属（活性组分为Pt、Pd、Rh等贵金属）、钙钛矿型复合金属氧化物和负载型过渡金属催化剂最为普遍。负载型贵金属是目前性能最好的甲烷燃烧催化剂，但这类催化剂价格昂贵，热稳定性较差。钙钛矿型复合金属氧化物和负载型过渡金属催化剂具有较高的热稳定性，但低温催化活性不好。

现有技术公开了一种甲烷催化燃烧催化剂，该催化剂采用尿素燃烧法制备氧化铈、氧化钴固溶体催化剂。但该催化剂制作相对复杂，起燃温度和完全燃烧温度较高。

现有技术公开了一种天然气及轻质燃烧反应催化剂，该催化剂的组成为碱土金属、贵金属和氧化铝，催化剂各组分前驱物形态为各金属元素的可溶性无机盐或有机盐，原料中须不含卤素。该现有技术的催化剂使用场合为自热式与加热式催化燃烧器，能够在284至350℃点燃反应，但其制备的催化剂成本高，起燃温度高，不易操作等特点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，拟设计一种甲烷催化燃烧的催化剂及其制备方法。该材料具有对甲烷催化效率高、催化温度相对较低、成本低等特点。

本发明提供一种甲烷催化燃烧催化剂，其特征在于，所述催化剂的组分和质量百分比为：96～98%的分子筛，1～3%的氧化钴，1～3%的氧化铁和0～3%的氧化钕。

本发明提供一种甲烷催化燃烧催化剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）配制浓度为0.05～0.25mol/l的过硫酸铵和过氧化氢的氧化改性剂混合溶液，且过硫酸铵和过氧化氢摩尔比为1：1，将分子筛浸渍于该混合溶液中超声波清洗5～10分钟，取出放入烘箱60～120℃干燥2～4小时；

（2）配制含有钴、铁和钕的混合盐溶液，将步骤（1）制得的分子筛浸渍于混合盐溶液中2～4小时，水浴加热到60～90℃保持到水蒸干，取出放入烘箱中80～120℃干燥2～4小时；

（3）将步骤（2）中干燥后的分子筛取出放入马弗炉中高温500～600℃焙烧3～4小时，即得本发明的整体催化剂。

所述的分子筛为5A、13X中的一种或其组合。

所述的含有钴、铁和钕的混合盐溶液为硝酸钴、硝酸铁和硝酸钕的混合溶液。

本催化剂（40-60）目颗粒在固定床微型反应装置上考察对甲烷的催化燃烧活性。固定床微型反应装置的反应管直径为6mm,催化剂装填量为2g，原料气组成为V（甲烷）：V（空气）=1:99，空速18000m³/h。控制反应温度的热电耦于石英管内催化剂床层中心位置。反应前未经任何预处理。每个温度点反应30min，使催化剂活性达到稳定，分别取反应前后的气体，用气相色谱进行定量分析。以下实施案例均按照该方法进行性能评价。

本发明所得的催化剂用于甲烷催化燃烧反应，在空气与甲烷体积比为99的条件下，可在250～300℃将50%甲烷催化燃烧,450～500℃将甲烷完全燃烧。该催化剂具有成本低廉，制备方法简单等特点。

具体实施方式

下面对本发明的实施案例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

称取0.58g98%的过硫酸铵和0.29g30%的过氧化氢混和于20ml去离子水中，搅拌均匀配制成氧化改性剂混合溶液；称取2g（40-60）目13X分子筛浸制于该溶液中在30℃下超声处理5分钟，取出放入烘箱100℃干燥2小时。

将上步骤干燥后的分子筛浸渍于2ml的0.035g/ml的硝酸钴和0.125g/ml的硝酸铁溶液中2h，100℃干燥3h后放入马弗炉中550℃焙烧3h，然后取出碾磨成粉末状，其中Co₂O₃和Fe₂O₃的含量分别为1%和2.5%。该催化剂在空气/甲烷（体积比）=99，气体总空速为18000h^-1，催化剂用量为2g的条件下催化反应性能如下：

温度（℃）	200	250	300	350	450	500
							CH₄转化率（%）	0	13.94	37.14	55.34	76.86	92.11

实施例2：

将上步骤干燥后的分子筛浸渍于2ml的0.07g/ml的硝酸钴和0.125g/ml的硝酸铁溶液中2h，100℃干燥3h后放入马弗炉中550℃焙烧3h，然后取出碾磨成粉末状，其中Co₂O₃和Fe₂O₃的含量分别为2%和2.5%。该催化剂在空气/甲烷（体积比）=99，气体总空速为18000h^-1，催化剂用量为2g的条件下催化反应性能如下：

温度（℃）	200	250	300	350	450	500
							CH₄转化率（%）	0	24.24	44.27	60.27	83.47	97.34

实施例3：

将上步骤干燥后的分子筛浸渍于2ml的0.035g/ml的硝酸钴和0.05g/ml的硝酸铁溶液中2h，100℃干燥3h后放入马弗炉中550℃焙烧3h，然后取出碾磨成粉末状，其中Co₂O₃和Fe₂O₃的含量分别为1%和1%。该催化剂在空气/甲烷（体积比）=99，气体总空速为18000h^-1，催化剂用量为2g的条件下催化反应性能如下：

温度（℃）	200	250	300	350	450	500
							CH₄转化率（%）	2.5	30.58	50.67	68.51	89.36	99.27

实施例4：

将上步骤干燥后的分子筛浸渍于2ml的0.035g/ml的硝酸钴、0.125g/ml的硝酸铁和0.013g/ml的硝酸钕溶液中2h，100℃干燥3h后放入马弗炉中550℃焙烧3h，然后取出碾磨成粉末状，其中Co₂O₃和Fe₂O₃的含量分别为1%、2.5%和1%。该催化剂在空气/甲烷（体积比）=99，气体总空速为18000h^-1，催化剂用量为2g的条件下催化反应性能如下：

温度（℃）	200	250	300	350	450	500
							CH₄转化率（%）	4.61	32.64	54.64	70.24	90.23	100

实施例5：

将上步骤干燥后的分子筛浸渍于2ml的0.035g/ml的硝酸钴、0.05g/ml的硝酸铁和0.013g/ml的硝酸钕溶液中2h，100℃干燥3h后放入马弗炉中550℃焙烧3h，然后取出碾磨成粉末状，其中Co₂O₃和Fe₂O₃的含量分别为1%、1%和1%。该催化剂在空气/甲烷（体积比）=99，气体总空速为18000h^-1，催化剂用量为2g的条件下催化反应性能如下：

温度（℃）	200	250	300	350	450	500
							CH₄转化率（%）	5.67	35.54	56.76	76.23	91.45	100

Claims

1.一种甲烷催化燃烧催化剂，其特征在于，所述催化剂的组分和质量百分比为：96～98%的分子筛，1～3%的氧化钴，1～3%的氧化铁和0～3%的氧化钕。

2.根据权利要求1所述一种甲烷催化燃烧催化剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述一种甲烷催化燃烧催化剂的制备方法，其特征在于，所述的分子筛为5A、13X中的一种或其组合。

4.根据权利要求2所述一种甲烷催化燃烧催化剂的制备方法，其特征在于，所述的含有钴、铁和钕的混合盐溶液为硝酸钴、硝酸铁和硝酸钕的混合溶液。