CN103272585A - 低温等离子技术脱除含碳颗粒物的催化剂制备及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及催化剂制备，旨在提供一种低温等离子技术脱除含碳颗粒物的催化剂制备及使用方法。催化剂的制备：将CeO2于110 ℃干燥2 h；称取四水醋酸锰以去离子水溶解后，缓慢滴加到盛有CeO2 的烧杯中；在浸渍12 h后，于坩埚中加热炒干；然后于110℃干燥2 h，并在空气气氛中500℃焙烧4 h，即得到最终产品5%MnO2/CeO2催化剂。本发明采用浸渍法制备催化剂具备利用低温等离子体在低温下即可活化和转化反应分子的特点。具有燃烧温度低、催化剂成本低、催化剂制备技术方便等优点。与传统的钙钛矿型催化剂相比处理效果有了很大的提高。

Description

低温等离子技术脱除含碳颗粒物的催化剂制备及使用方法
技术领域
本发明涉及催化剂制备，特别涉及一种低温等离子技术脱除含碳颗粒物的催化剂制备及使用方法。
背景技术
随着人类社会进入21世纪，环境问题也越来越受到人们的关注。目前，全国约1/5的城市空气污染严重。113个重点城市中，42.5％的城市空气质量达不到国家二级标准。其中汽车尾气中排放引起的阴霾天气已成为人们健康的杀手。譬如，近年来PM 2.5 问题，主要来源于汽车尾气中排放的含碳颗粒物，它是城市空气汽车尾气污染源的重要成分。含碳颗粒物来源于燃料的燃烧过程中，其中烃类经历一系列物理化学变化后生成。含碳颗粒物对环境和人体健康都是极其有害的，它会导致诱发多种重大疾病，严重影响人类的健康问题。因此，国家出台了《环境空气质量指数（AQI）技术规定》的相关政策以加强环境治理的力度。但是，碳烟颗粒往往要在700℃以上高温才能达到脱除和净化，而目前对于碳烟颗粒的处理方法主要是采用催化燃烧法。虽然催化反应具有高选择性的特点，但是其反应分子的活化需要较高的温度。催化燃烧是将催化剂与碳烟颗粒混合，通过程序升温以促使碳烟颗粒达到完全燃烧的方法。辛邵强等报道了采用钙钛矿型催化剂处理碳颗粒取得了较好的效果，其最低燃烧温度也要达到400 ℃。目前文献报道的常用的催化剂主要集中于贵金属催化剂、钙钛矿型催化剂，但是其催化处理碳颗粒的起燃温度仍然很高，而且催化剂的制备过程较为复杂，催化剂的成本也相对较高。
近年来，低温等离子体技术因其可在低温下活化和转化反应分子而备受关注，并已实际应用于化学合成、环境污染物处理以及材料合成和改性等领域。但是低温等离子体技术也存在反应效率低、能耗高、目标产物选择性低等不足。将低温等离子体技术与催化过程相结合，可望提高过程的能效和目标产物的选择性，并降低反应温度。目前低温等离子体协同催化剂催化相关反应已引起越来越多的关注，其应用主要包括CO氧化、氮氧化物脱除、燃煤颗粒燃烧以及VOCs的脱除等。
基于低温等离子体可低温活化和转化反应分子的特性，将其作为一种化学反应的促进手段，可以完成许多常规条件下难以进行的化学反应。将低温等离子体技术与催化过程相结合，可望提高反应过程的能效和目标产物的选择性，并降低反应温度。迄今为止，还没有等离子与催化协同脱除碳颗粒的技术方法的相关报道。如能提供该技术应用于催化领域具有现实意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种用于低温等离子技术脱除含碳颗粒物的催化剂制备及使用方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种低温等离子技术脱除含碳颗粒物的催化剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）将CeO2于110 ℃干燥2 h；
（2）称取1.4826 g 四水醋酸锰以4.06 ml 去离子水溶解后，将该溶液缓慢滴加到盛有10 g CeO2 的烧杯中；在浸渍12 h后，于坩埚中加热炒干；然后于110℃干燥2 h，并在空气气氛中500℃焙烧4 h，即得到最终产品5%MnO2/CeO2催化剂。
本发明进一步提供了一种利用前述催化剂实现低温等离子技术脱除含碳颗粒物的方法，是将所述催化剂与碳颗粒接触，在低温等离子技术下来使碳颗粒燃烧；包括以下步骤：
（1）将Printex U碳置于烘箱内，于110℃下烘2h；
（2）将Printex U碳与所述催化剂混合后研磨1-2h，使Printex U碳与催化剂充分混合均匀达到紧密接触；混合物中Printex U碳的质量含量为0.2 % - 5.0 %；
（3）将混合均匀的样品，用压片机压片、过筛，选取20-40目数的混合物颗粒1g，装填于反应管中，反应管两端用石英棉固定；
该反应管为介质阻挡等离子反应器，是以石英管为阻挡介质，以装在石英管内的不锈钢棒作为高压电极，以紧贴在石英管外壁的不锈钢丝网作为接地电极；石英管厚度为1mm,、内径为8mm，不锈钢棒的直径为3 mm；Printex U碳-催化剂混合物颗粒填充于等离子体反应管放电区域中间；
（4）向反应管中通入氮气对混合物样品进行预处理，用程序升温控制仪控制反应管温度，在300℃温度下维持1h，除去样品中存在的水分；
（5）预处理结束后，将高压电极和接地电极接至电源开关，并将通入反应管的氮气切换为空气，控制空气流速为30mL/min；通过加热控温装置控制反应管的温度为室温或150℃；
（6）接通等离子电源开关，通过等离子发生器调节放电电流、通过变压器调节放电电压，从而调节反应时等离子体的放电功率为P = 80V×0.8A；
（7）放电30min反应完成，先将电压、电流调节至0，然后关闭等离子电源开关。
本发明中，所述反应温度是由紧贴管壁的热电偶进行测量的，并由程序升温控制仪控制反应管的温度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的催化剂是采用浸渍法制备，该催化剂具备利用低温等离子体在低温下即可活化和转化反应分子的特点。使用中，碳颗粒与催化剂达到紧密接触，经等离子体放电反应，在150 ℃反应温度条件下，可达到碳颗粒100%完全转化的好结果。在室温条件下，也可使碳颗粒达到80%转化。
本发明具有燃烧温度低、催化剂成本低、催化剂制备技术方便等优点。与传统的钙钛矿型催化剂相比处理效果有了很大的提高。
具体实施方式
实施例1
催化剂的制备：
将CeO2（上海晶纯实业有限公司的阿拉丁品牌）于110 ℃干燥2 h；称取1.4826 g 四水醋酸锰以4.06 ml 去离子水溶解后，将该溶液缓慢滴加到盛有10 g CeO2 的烧杯中；在浸渍12 h后，于坩埚中加热炒干；然后于110℃干燥2 h，并在空气气氛中500℃焙烧4 h，即得到最终产品5%MnO2/CeO2催化剂。
实施例 2
常温下催化剂结合低温等离子体方法用于汽车尾气中碳颗粒的脱除技术
1、 催化剂的制备过程同实施例1；
2、首先将Printex U碳（上海海逸有限公司生产）放于烘箱内，110℃下干燥2h；
3、制备 Printex U 碳与催化剂样品（选用实施例1中的5%MnO2/CeO2）混合物：称取一定量的Printex U碳与催化剂于玛瑙研钵中，研磨1-2h，使Printex U碳与催化剂充分混合均匀，达到紧密接触。混合物中控制Printex U碳的质量含量为0.2% ；
4、将混合均匀的样品，用压片机压片、过筛，选取20-40目数的混合物颗粒1g，装填于反应管中，反应管两端用石英棉固定；
该反应管为介质阻挡等离子反应器，是以石英管为阻挡介质，以装在石英管内的不锈钢棒作为高压电极，以紧贴在石英管外壁的不锈钢丝网作为接地电极；石英管厚度为1mm,、内径为8mm，不锈钢棒的直径为3 mm；Printex U碳-催化剂混合物颗粒填充于等离子体反应管放电区域中间；
5、向反应管中通入氮气对混合物样品进行预处理，用程序升温控制仪控制反应管温度，在300℃温度下维持1h，除去样品中存在的水分；
6、预处理结束后，将高压电极和接地电极接至电源开关，并将通入反应管的氮气切换为空气，控制空气流速为30mL/min；通过加热控温装置控制反应管的温度为室温24~30℃；
7、接通等离子电源开关，通过等离子发生器调节放电电流、通过变压器调节放电电压，从而调节反应时等离子体的放电功率为P = 80V×0.8A；
8、放电30min反应完成，先将电压、电流调节至0，然后关闭等离子电源开关。
在放电反应过程中，通过KeXiaoGC-1690（杭州科晓公司生产）在线分析，O2、N2以5A分子筛填充柱分离， CO2以TDX-01填充柱分离；对峰面积进行积分, 结果显示碳颗粒转化率可达到80%。
实施例 3
除控制混合物中Printex U碳的质量含量为5.0 %，以及在通入空气时控制反应管的温度为150℃之外，其余步骤及条件均与实施例2相同；在此温度条件下，碳颗粒能够实现近100%完全转化。
实施例 4
除混合物中控制Printex U碳的质量含量为3.0%，以及在通入空气时控制反应管的温度为150℃之外，其余步骤及条件均与实施例2相同；在此温度条件下，碳颗粒转化能够达到98%以上。

Claims (3)

1.一种低温等离子技术脱除含碳颗粒物的催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将CeO2于110 ℃干燥2 h；
（2）称取1.4826 g 四水醋酸锰以4.06 ml 去离子水溶解后，将该溶液缓慢滴加到盛有10 g CeO2 的烧杯中；在浸渍12 h后，于坩埚中加热炒干；然后于110℃干燥2 h，并在空气气氛中500℃焙烧4 h，即制备得到最终产品5%MnO2/CeO2催化剂。
2.一种利用权利要求1中所述催化剂实现低温等离子技术脱除含碳颗粒物的方法，其特征在于，是将所述催化剂与碳颗粒接触，在低温等离子技术下来使碳颗粒燃烧；具体包括以下步骤：
（1）将Printex U碳置于烘箱内，于110℃下干燥2h；
（2）将Printex U碳与所述催化剂混合后研磨1-2h，使Printex U碳与催化剂充分混合均匀达到紧密接触；混合物中Printex U碳的质量含量为0.2% - 5.0 %；
（3）将混合均匀的样品，用压片机压片、过筛，选取20-40目数的混合物颗粒1g，装填于反应管中，反应管两端用石英棉固定；
该反应管为介质阻挡等离子反应器，是以石英管为阻挡介质，以装在石英管内的不锈钢棒作为高压电极，以紧贴在石英管外壁的不锈钢丝网作为接地电极；石英管厚度为1mm,、内径为8mm，不锈钢棒的直径为3 mm；Printex U碳-催化剂混合物颗粒填充于等离子体反应管放电区域中间；
（4）向反应管中通入氮气对混合物样品进行预处理，用程序升温控制仪控制反应管温度，在300℃温度下维持1h，除去样品中存在的水分；
（5）预处理结束后，将高压电极和接地电极接至电源开关，并将通入反应管的氮气切换为空气，控制空气流速为30mL/min；通过加热控温装置控制反应管的温度为室温或150℃；
（6）接通等离子电源开关，通过等离子发生器调节放电电流、通过变压器调节放电电压，从而调节反应时等离子体的放电功率为P = 80V×0.8A；
（7）放电30min反应完成，先将电压、电流调节至0，然后关闭等离子电源开关。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述反应温度是由紧贴管壁的热电偶进行测量的，并由程序升温控制仪控制反应管的温度。
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