CN104014332A - 基于钛丝网的Mn-Ce-W复合氧化物整体式脱硝催化剂的制备方法 - Google Patents

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基于钛丝网的Mn-Ce-W复合氧化物整体式脱硝催化剂的制备方法。本发明涉及一种以钛丝网作为载体，表面活性组分为具有三维花状结构的锰-铈-钨三元复合氧化物，属纳米材料制备工艺和环保技术领域。本发明的要点是：以钛丝网作为基底，在水热条件下实现活性组分在钛丝网上的均匀负载，然后通过控温煅烧得到均匀分布的锰-铈-钨三元复合氧化物，以实现上述催化剂的制备。其中，钛丝网表面具有较多的表面酸位，并且能够提供大量的有效比表面积，很好的传质和传热能力。上述活性物种与载体间具有较强的结合力，并在钛丝网表面均匀分布，不易在高温条件下团聚或脱落。经实验证实，该催化剂具有较广的催化温度窗口。因此，本发明中的催化剂可用于烟气中的氮氧化物的选择性催化还原。

Description

基于钛丝网的Mn-Ce-W复合氧化物整体式脱硝催化剂的制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有三维花状结构的钛丝网基整体式脱硝催化剂的制备方法，属纳米材料制备工艺和环保技术领域。
背景技术
氮氧化物（NOx）是目前出现酸雨，臭氧层空洞，全球气候变暖，光化学烟雾等严重环境问题的重要原因之一。根据报道，我国以煤炭为主要能源结构的整体趋势在未来一段时间内尚无法改变，因此，燃煤所产生的氮氧化物污染已经成为我国目前迫切需要解决的问题。
目前，对氮氧化物的氨气选择性催化还原（NH3-SCR）是目前应用最广泛的氮氧化物脱除方法。在对该方法的研究中，对催化剂的制备与选择是最为重要的一环。除去已经商用的V2O5-WO3/TiO2催化剂，对氮氧化物的氨气选择性还原催化剂的研究热点主要集中在各类变价金属氧化物上(CuOx、FeOx、MnOx、CoOx等)，该类催化剂因内部存在的变价金属氧化物具有强氧化还原性能，可以有效的支撑催化反应循环过程。在实际应用中，这些催化材料必须被负载在已经过成型加工的载体上，即整体式催化剂。在近期的研究工作当中，中国专利CN101444727A公布了一种以二氧化钛，膨润土和海泡石作为载体，WO3、MoO3、V2O5、CeO2、Nb2O5作为活性组分，经过浸渍负载，挤出成型和控温煅烧后合成整体式蜂窝催化剂的方法。中国专利CN103537275A则提供了一种由金属纤维负载金属丝网，随后将活性组分V2O5和助剂由浸渍法进行负载的整体式催化剂制备方法。但上述催化剂制备方法主要存在制备过程繁琐、粘结剂导致二次污染、活性组分分布不均匀和易发生高温烧结等缺点。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种以钛丝网作为基底，表面具有三维花状结构的整体式脱硝催化剂的制备方法。催化剂的载体为钛丝网，其自身可以提供较多的表面酸位，并具有很好的传质和传热能力，有利于催化反应的进行。该脱硝催化剂的活性组分由水热法直接在金属丝网上原位生长，而后经过高温煅烧得到Mn-Ce-W复合金属氧化物。因此，其与载体具有良好的结合力及热稳定性，不易在高温条件下团聚或脱落，且可以通过改变反应物种的加入量实现对表面活性物种形貌，结构及成分的控制。并且，该制备方法仅需一步水热反应随后的控温煅烧过程即可制备完成，是一种简单易行的催化剂制备方法。
本发明涉及一种上述催化剂的制备方法，包括以下步骤：
A：钛丝网的预处理：将钛丝网卷成卷状后，分别在超声条件下由乙醇和3 mol/L的稀盐酸各洗涤30 min，以除去表面的污垢和金属氧化层，随后由去离子水冲洗，在60 oC下干燥3 h后，备用；
B：催化剂的制备：首先，配置金属盐（铈盐+锰盐+钨盐）总浓度为0.08~0.8mol/L，沉淀剂浓度为0.15~0.75 mol/L的去离子水溶液。随后，将处理好的钛丝网放入其中充分浸没1 h，以60~80%的反应釜填充率转移至高压反应釜中，在不锈钢外壳保护下，于120~210 oC条件下反应12~24 h。待自然冷却后将产物用去离子水洗涤，在60 oC下干燥过夜。最后，以1 oC/min的速率升温至300~600 oC，保温3~7 h，随炉冷却后可以得到所述的具有三维花状结构的钛基整体式脱硝催化剂。
上述沉淀剂的加入量与反应液整体的pH值有关，因此，采用少于上述范围内的加入量则会导致活性组分无法完全负载在催化剂载体上，影响催化剂活性。而采用超出上述范围内的加入量可能会导致催化剂载体在反应过程中发生腐蚀，影响催化剂的机械强度。
上述沉淀剂为氨水，氯化铵，尿素中的一种，选用不同的沉淀剂可能会导致活性组分无法均匀负载或在水热反应中形成的形貌无法控制，从而影响催化剂的催化活性。
上述金属盐的加入量与所获得催化剂表面的活性组分覆盖情况有关，采用超出上述范围内的加入量可能会导致催化剂表面覆盖的活性组分过少或团聚，影响催化剂的催化活性。
上述金属盐中，铈盐为硝酸铈，硫酸铈，氯化铈中的一种；锰盐为硝酸锰，硫酸锰，氯化锰，高锰酸钾中的一种；钨盐为钨酸铵，偏钨酸铵，磷酸钨中的一种。选用超出上述范围内的金属盐可能会导致表面活性组分的晶型，晶粒大小和结晶度不一，从而影响催化剂的活性。
上述水热反应时间为12~24 h，反应温度为120~210 oC，采用超出上述范围内的反应条件可能会导致催化剂表面活性组分的覆盖量，形貌及基底的机械强度发生改变，从而影响催化剂的活性。
上述煅烧温度为300~600 oC，若煅烧温度低于或高于该区间，则会引起晶型，晶粒大小，结晶度的较大改变，不利于催化剂的催化活性。
所述的整体式催化剂载体为钛丝网，表面的活性组分为具有三维花状结构的锰-铈-钨三元复合氧化物。
本发明与现有技术相比，其优势如下：
（1）该催化剂以钛丝网作为基底，该基底具有较多的表面酸位，并且由于钛丝网自身的多孔结构，可提供大量的有效比表面积，同时具有很好的传质和传热能力，有利于催化反应的进行。
（2）催化剂表面的活性组分由水热法在反应过程中原位生长，因此，催化剂的活性组分在三维分级结构催化剂中均匀分布，活性位有效分散。并且，其与载体之间具有良好的结合力和较好的热稳定性，不易在催化过程中发生表面团聚，脱落等现象。
（3）该催化剂为水热控温煅烧直接获得的整体式催化剂，较为简单易行，且无需再次成型，可有效的降低催化剂的生产成本。
（4）在该催化剂的制备过程中，无需额外加入粘合剂，有效的降低了催化剂的制备成本，并避免粘合剂所导致的环境污染。
附图说明
图1为本发明实施例1所得具有三维花状结构的整体式催化剂的扫描电镜（SEM）图。
具体实施方式
下面将结合具体实例，对本发明做进一步的阐述说明，但本发明可实施的情况并不仅限于实例的范围：
实施例1
将3*10 cm的钛丝网卷成卷状后，分别在超声条件下由乙醇和3 mol/L的稀盐酸各洗涤30 min，以除去表面的污垢和金属氧化层，随后由去离子水冲洗，在60 oC下干燥3 h后，备用；
以硝酸铈，硝酸锰，钨酸铵为金属盐前驱体，配置铈盐浓度为0.03 mol/L，锰盐浓度为0.04mol/L，钨盐浓度为0.02mol/L，尿素浓度为0.15mol/L的去离子水溶液。随后，将处理好的钛丝网放入其中充分浸没1 h，以60%的反应釜填充率转移至高压反应釜中，在不锈钢外壳保护下，于120oC条件下反应12 h。待自然冷却后将产物用去离子水洗涤，在60 oC下干燥过夜。最后，以1 oC/min的速率升温至400 oC，保温3h，随炉冷却后可以得到所述的具有三维花状结构的钛基整体式脱硝催化剂。
测试上述催化剂的催化活性：将制备完成的催化剂放入固定床石英管反应器中进行活性测试，在反应温度150~480 oC，空速为20000 h-1的条件下，在270~390 oC之间均可保持85%以上的氮氧化物脱除效率。模拟烟气由N2，O2，NO和NH3组成，其中NO/NH3=1:1，体积浓度均为500 ppm，O2浓度为3%，平衡气为氮气。
实施例2
将3*10 cm的钛丝网卷成卷状后，分别在超声条件下由乙醇和3 mol/L的稀盐酸各洗涤30 min，以除去表面的污垢和金属氧化层，随后由去离子水冲洗，在60 oC下干燥3 h后，备用；
以硫酸铈，乙酸锰，钨酸铵为金属盐前驱体，配置铈盐浓度为0.04 mol/L，锰盐浓度为0.05 mol/L，钨盐浓度为0.02 mol/L，氯化铵浓度为0.3 mol/L的去离子水溶液。随后，将处理好的钛丝网放入其中充分浸没1 h，以65%的反应釜填充率转移至高压反应釜中，在不锈钢外壳保护下，于140 oC条件下反应15 h。待自然冷却后将产物用去离子水洗涤，在60 oC下干燥过夜。最后，以1 oC/min的速率升温至500 oC，保温4 h，随炉冷却后可以得到所述的具有三维花状结构的钛基整体式脱硝催化剂。
测试上述催化剂的催化活性：将制备完成的催化剂放入固定床石英管反应器中进行活性测试，在反应温度150~480 oC，空速为20000 h-1的条件下，在240~350 oC之间均可保持80%以上的氮氧化物脱除效率。模拟烟气由N2，O2，NO和NH3组成，其中NO/NH3=1:1，体积浓度均为500 ppm，O2浓度为3%，平衡气为氮气。
实施例3
将3*10 cm的钛丝网卷成卷状后，分别在超声条件下由乙醇和3 mol/L的稀盐酸各洗涤30 min，以除去表面的污垢和金属氧化层，随后由去离子水冲洗，在60 oC下干燥3 h后，备用；
以氯化铈，硫酸锰，偏钨酸铵为金属盐前驱体，配置铈盐浓度为0.04mol/L，锰盐浓度为0.06mol/L，钨盐浓度为0.1mol/L，氯化铵浓度为0.45 mol/L的去离子水溶液。随后，将处理好的钛丝网放入其中充分浸没1 h，以75 %的反应釜填充率转移至高压反应釜中，在不锈钢外壳保护下，于150 oC条件下反应18 h。待自然冷却后将产物用去离子水洗涤，在60 oC下干燥过夜。最后，以1 oC/min的速率升温至550 oC，保温5h，随炉冷却后可以得到所述的具有三维花状结构的钛基整体式脱硝催化剂。
测试上述催化剂的催化活性：将制备完成的催化剂放入固定床石英管反应器中进行活性测试，在反应温度150~480 oC，空速为20000 h-1的条件下，在270~380 oC之间均可保持90%以上的氮氧化物脱除效率。模拟烟气由N2，O2，NO和NH3组成，其中NO/NH3=1:1，体积浓度均为500 ppm，O2浓度为3%，平衡气为氮气。
 
实施例4
将3*10 cm的钛丝网卷成卷状后，分别在超声条件下由乙醇和3 mol/L的稀盐酸各洗涤30 min，以除去表面的污垢和金属氧化层，随后由去离子水冲洗，在60 oC下干燥3 h后，备用；
以氯化铈，氯化锰，偏钨酸铵为金属盐前驱体，配置铈盐浓度为0.16mol/L，锰盐浓度为0.1mol/L，钨盐浓度为0.4mol/L，尿素浓度为0.55 mol/L的去离子水溶液。随后，将处理好的钛丝网放入其中充分浸没1 h，以75 %的反应釜填充率转移至高压反应釜中，在不锈钢外壳保护下，于170 oC条件下反应20 h。待自然冷却后将产物用去离子水洗涤，在60 oC下干燥过夜。最后，以1 oC/min的速率升温至450 oC，保温5 h，随炉冷却后可以得到所述的具有三维花状结构的钛基整体式脱硝催化剂。
测试上述催化剂的催化活性：将制备完成的催化剂放入固定床石英管反应器中进行活性测试，在反应温度150~480 oC，空速为20000 h-1的条件下，在240~360 oC之间均可保持90%以上的氮氧化物脱除效率。模拟烟气由N2，O2，NO和NH3组成，其中NO/NH3=1:1，体积浓度均为500 ppm，O2浓度为3%，平衡气为氮气。
实施例5
将3*10 cm的钛丝网卷成卷状后，分别在超声条件下由乙醇和3 mol/L的稀盐酸各洗涤30 min，以除去表面的污垢和金属氧化层，随后由去离子水冲洗，在60 oC下干燥3 h后，备用；
以氯化铈，高锰酸钾，磷酸钨为金属盐前驱体，配置铈盐浓度为0.04mol/L，锰盐浓度为0.12mol/L，钨盐浓度为0.06mol/L，氨水浓度为0.65 mol/L的去离子水溶液。随后，将处理好的钛丝网放入其中充分浸没1 h，以80 %的反应釜填充率转移至高压反应釜中，在不锈钢外壳保护下，于180 oC条件下反应20 h。待自然冷却后将产物用去离子水洗涤，在60 oC下干燥过夜。最后，以1 oC/min的速率升温至600 oC，保温6 h，随炉冷却后可以得到所述的具有三维花状结构的钛基整体式脱硝催化剂。
测试上述催化剂的催化活性：将制备完成的催化剂放入固定床石英管反应器中进行活性测试，在反应温度150~480 oC，空速为20000 h-1的条件下，在220~300 oC之间均可保持78%以上的氮氧化物脱除效率。模拟烟气由N2，O2，NO和NH3组成，其中NO/NH3=1:1，体积浓度均为500 ppm，O2浓度为3%，平衡气为氮气。
 
实施例6
将3*10 cm的钛丝网卷成卷状后，分别在超声条件下由乙醇和3 mol/L的稀盐酸各洗涤30 min，以除去表面的污垢和金属氧化层，随后由去离子水冲洗，在60 oC下干燥3 h后，备用；
以硫酸铈，乙酸锰，磷酸钨为金属盐前驱体，配置铈盐浓度为0.1mol/L，锰盐浓度为0.1mol/L，钨盐浓度为0.1mol/L，氨水浓度为0.75 mol/L的去离子水溶液。随后，将处理好的钛丝网放入其中充分浸没1 h，以70 %的反应釜填充率转移至高压反应釜中，在不锈钢外壳保护下，于200 oC条件下反应24 h。待自然冷却后将产物用去离子水洗涤，在60 oC下干燥过夜。最后，以1 oC/min的速率升温至500 oC，保温7 h，随炉冷却后可以得到所述的具有三维花状结构的钛基整体式脱硝催化剂。
测试上述催化剂的催化活性：将制备完成的催化剂放入固定床石英管反应器中进行活性测试，在反应温度150~480 oC，空速为20000 h-1的条件下，在290~360 oC之间均可保持83%以上的氮氧化物脱除效率。模拟烟气由N2，O2，NO和NH3组成，其中NO/NH3=1:1，体积浓度均为500 ppm，O2浓度为3%，平衡气为氮气。 

Claims (4)

1.一种基于钛丝网的Mn-Ce-W复合氧化物整体式脱硝催化剂的制备方法，其特征在于该方法具有如下的制备过程：
A. 钛丝网的预处理：将钛丝网卷成卷状后，在超声条件下分别由乙醇和3 mol/L的稀盐酸各洗涤30 min，以除去表面的污垢和金属氧化层，随后由去离子水冲洗，在60 oC下干燥3 h后，备用；
B. 催化剂的制备：首先，配置金属盐总浓度为0.08~0.8mol/L，金属盐为铈盐+锰盐+钨盐，沉淀剂浓度为0.15~0.75 mol/L的去离子水溶液；随后，将处理好的钛丝网放入其中充分浸没1 h，以60~80%的反应釜填充率转移至高压反应釜中，在不锈钢外壳保护下，于120~210 oC条件下反应12~24 h；待自然冷却后将产物用去离子水洗涤，在60 oC下干燥过夜；最后，以1oC/min的速率升温至300~600 oC，保温3~7 h，随炉冷却后得到的具有三维花状结构的钛基整体式脱硝催化剂。
2.根据权利要求书1中所述的具有三维花状结构的钛基整体式脱硝催化剂的制备方法，其特征在于所述的整体式催化剂载体为钛丝网，表面的活性组分为具有三维花状结构的锰-铈-钨三元复合氧化物。
3.根据权利要求书1中所述的具有三维花状结构的钛基整体式脱硝催化剂的制备方法，其特征在于所述的金属盐中，铈盐为硝酸铈，硫酸铈，氯化铈中的一种；锰盐为硝酸锰，硫酸锰，氯化锰，高锰酸钾中的一种；钨盐为钨酸铵，偏钨酸铵，磷酸钨中的一种。
4.根据权利要求书1中所述的具有三维花状结构的钛基整体式脱硝催化剂的制备方法，其特征在于所述的沉淀剂为氨水，氯化铵，尿素中的一种。
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