CN105268451A - 三元金属复合载体低温选择性催化还原系统催化剂及其制备方法 - Google Patents

三元金属复合载体低温选择性催化还原系统催化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种三元金属复合载体低温选择性催化还原系统催化剂及制备方法。将多壁碳纳米管加入到二氧化钛中,再加入去离子水,搅拌,超声,进行水热反应,冷却至室温后过滤,洗涤,干燥,得到多孔黑色固体,将所述固体研磨筛分至60~100目,得到载体;以铈和镍的硝酸盐溶液为前驱体,将前驱体与硝酸锰溶液混合,将所得到的载体加入到混合溶液中,在室温下浸渍,然后将浸渍混合物干燥,放入管式炉中煅烧,得到黑色固体。本发明将二氧化钛与多壁碳纳米管制备成复合载体,采用浸渍法负载锰氧化物,并添加过渡元素Ce和Ni,制备出的催化剂具有较高的低温活性,和较好的抗硫性能,同时具有较高的比表面积。

Description

三元金属复合载体低温选择性催化还原系统催化剂及其制 备方法 技术领域 本发明涉及一种低温SCR系统催化剂,本发明还涉及一种低温SCR系统催化剂的制备 方法。具体涉及一种三元金属复合载体催化剂及其制备方法。 背景技术 随着全球环境的日益恶化和人们环保意识的逐渐加强,控制船舶柴油机有害气体排放 的要求日益强烈。氮氧化物(N0X)是船舶柴油机的主要污染物之一,国际海事组织(頂0)在 《MARP0L73/78公约》附则VI中对船舶N0X的排放做出了严格的限制。日益严格的NO ^防文 法规对船舶柴油机是一个巨大的挑战,需要应用新技术,开发新产品,减少船舶柴油机对大 气的污染。 低温SCR技术是目前能找到的满足船舶柴油机N0X排放法规的最有效的技术。SCR技 术中最核心的是催化剂,目前工业化的钒系催化剂存在着活性温度高、比表面积小和抗湿 抗硫性能不佳等问题。 催化剂的活性与活性组分的分散度有密切关系,Ti〇2作为载体具有无毒、氧化能力 强、催化活性高等优势,但是同时也存在着成型性能不好、比表面积有限等问题。碳纳米管 (CNTs)由于拥有纳米级管腔结构、较高的比表面积和表面活性,作为载体材料广泛应用于 各种催化反应,特别是将碳纳米管与Ti02复合制备的TiO 2-MCNTs复合载体,具有提高反应 速率、降低反应温度等作用,其已经在电池、气体传感、光催化等领域展开了应用研究。 发明内容 本发明的目的在于提供一种在低温(100~300°C )范围内有较高的反应活性和较好 的抗硫性能,同时具有较高的比表面积的三元金属复合载体低温选择性催化还原系统催化 剂。本发明的目的还在于提供一种三元金属复合载体低温选择性催化还原系统催化剂的制 备方法。 本发明的三元金属复合载体低温选择性催化还原系统催化剂包括锰、铈、镍和复合载 体,所述的复合载体由多壁碳纳米管和二氧化钛制成,]«11〇:(与TiO 2的摩尔比例为MnO x:Ti02=0. 4,铈与钛的质量比为Ce:Ti = 0. 5,镍与钛的质量比为Ni:Ti = 0. 5。 MnOxS MnO 2和Μη 203中的一种或两种的混合物。MnO TiO 2的摩尔比例为MnO x: Ti02 =0. 4〇 本发明的三元金属复合载体低温选择性催化还原系统催化剂的制备方法为: 将多壁碳纳米管加入到二氧化钛中,再加入去离子水,搅拌2h,超声0. 5h,然后转移 到反应釜中,在干燥箱中进行水热反应,自然冷却至室温后过滤,洗涤,干燥,得到多孔黑色 固体,将所述固体研磨筛分至60~100目,得到载体;以铈和镍的硝酸盐溶液为前驱体,将 前驱体与硝酸锰溶液混合,将所得到的载体加入到混合溶液中,在室温下浸渍,然后将浸渍 混合物干燥,放入管式炉中煅烧,得到黑色固体。 本发明的三元金属复合载体低温选择性催化还原系统催化剂的制备方法还可以包 括: 1、 先对多壁碳纳米管进行纯化,所述纯化是将多壁碳纳米管加入浓硝酸并在回流装置 中回流12h,过滤,洗涤,干燥,得到纯化后的多壁碳纳米管。 2、 所述干燥是在80°C恒温条件下干燥12~24h。 3、 多壁碳纳米管与二氧化钛的质量为多壁碳纳米管:二氧化钛=10%。 4、 所述的水热反应为在120°C恒温条件下水热反应8h。 5、 所述的煅烧为在氮气气氛中450°C恒温条件下煅烧6h。 本发明的催化剂在低温(100~300°C )范围内有较高的反应活性和较好的抗硫性能, 同时具有较高的比表面积。 当活性组分MnOx含量不高时,催化剂对NO的转化率随着MnO x含量的增多而增加,当催 化剂中MnOx含量达到一定值时,催化剂对NO的转化率基本保持不变,甚至下降,原因是过 多的^(^在载体表面聚集,会发生团聚现象而造成活性降低。 碳纳米管具有较高的比表面积,不同层次的孔径结构,其内孔和外壁均具有很好的吸 附性能,能够有效吸附气体,将碳纳米管与二氧化钛制备成复合载体,可以增大活性组分的 分散性,从而提高催化剂的催化活性。 添加金属Ce和Ni可以增大复合载体的外径,缓解颗粒的团聚现象,使金属氧化物可以 均匀地负载在碳纳米管表面。 本发明的优势在于: (1) 具有非常好的低温活性。三元金属催化剂Mn-Ce-Ni/P25-MCNTs,温度为200°C时, 催化剂的催化活性达到95%以上,当温度升高到250°C时,催化剂的催化活性达到98%。 (2) 具有较好的抗硫性能。制约低温催化剂应用的最大障碍在于烟气中502被氧化后 与活性组分形成硫酸盐物质,在此物质的存在下催化剂很容易中毒失活,从而导致催化效 率下降。而添加金属Ce和Ni可以提高催化剂的抗硫活性,当S02浓度为lOOppm时,在反 应511内,催化剂此-〇6-附/^25-10^8的反应活性可以维持在90%左右,当30 2浓度进一步 增加至1000??111时,反应活性也可以维持在70%左右。 (3) 具有较高的比表面积。复合碳纳米管的催化剂比表面积要高于单一载体制备的催 化剂的比表面积,尤其是添加过渡金属Ce和Ni后,比表面积和孔容都大幅度增加。 具体实施方式 本发明的三元金属复合载体低温SCR系统催化剂,包括以下组分:锰元素、铈元素、镍 元素和复合载体。 所述的复合载体由多壁碳纳米管(MCNTs)和二氧化钛P25(Ti02,degussa)制备而成。 所述的锰元素为催化剂的活性组分,以金属氧化物(MnOx)的形式存在。 所述的MnO# MnO 2和Μη 203中的一种或两种的混合物,MnO# Ti02的摩尔比例为 Mn0x:Ti02= 0· 4〇 所述的催化剂中添加过渡金属元素铈(Ce)和镍(Ni),催化剂中铈原子与钛原子的质 量比为Ce:Ti = 0. 5,催化剂中镍原子与钛原子的质量比为Ni:Ti = 0. 5。 本发明的三元金属复合载体低温SCR系统催化剂的制备方法,包括以下步骤: 步骤一:将MCNTs加入浓硝酸并在回流装置中回流12h,过滤,洗涤,干燥,得到纯化后 的 MCNTs〇 步骤二:将步骤一制备的MCNTs加入P25(Ti02, degussa)中,再加入去离子水,在磁力 搅拌器上搅拌2h,并在超声波清洗仪中超声0. 5h,然后转移到反应釜中,在干燥箱中进行 水热反应,自然冷却至室温后过滤,洗涤,干燥,得到多孔黑色固体,将此固体研磨筛分至 60~100目,得到载体P25-MCNTs。 步骤三:以过渡元素 Ce和Ni的硝酸盐溶液为前驱体,将此前驱体与硝酸锰溶液混合, 将步骤二制备的载体P25_MCNTs加入到混合溶液中,在室温下浸渍,然后将浸渍混合物干 燥,放入管式炉中煅烧,得到黑色固体,即为催化剂Mn-Ce-Ni/P25-MCNTs。 步骤一中所述的干燥优选为在80°C恒温条件下干燥12~24h。 步骤二中所述的MCNTs与1102的质量比优选为MCNTs:Ti02= 10%。 步骤二中所述的水热反应优选为在120°C恒温条件下水热反应8h。 步骤二中所述的干燥优选为在80°C恒温条件下干燥12~24h。 步骤三中所述的过渡元素 Ce的硝酸盐为Ce(N03)3 · 6H20。 步骤三中所述的过渡元素 Ni的硝酸盐为Ni (N03)2 · 6H20。 步骤三中所述的干燥优选为在80°C恒温条件下干燥12~24h。 步骤三中所述的煅烧优选为在氮气气氛中450°C恒温条件下煅烧6h。 下面结合具体实施方式对本发明的技术方案及效果作进一步描述。 步骤一:将MCNTs加入浓硝酸并在回流装置中回流12h,过滤,洗涤,在80°C恒温条件下 干燥14h,得到纯化后的MCNTs。 步骤二:取0· 2g步骤一制备的MCNTs加入到2g P25 (Ti02, degussa)中,再加入70mL去 离子水,在磁力搅拌器上搅拌2h,并在超声波清洗仪中超声0. 5h,然后转移到反应釜中,在 120°C的干燥箱中水热8h,自然冷却至室温后过滤,洗涤,在80°C恒温条件下干燥24h,得 到多孔黑色固体,将此固体研磨筛分至60~100目,得到载体P25-MCNTs。 步骤三:取 1. 86g Ce (N03) 3 · 6H20 和 2. 97g Ni (N03) 2 · 6H20 溶于水中,再取 3. 59g 浓度 为50 %的硝酸锰溶液溶于水中,将两种溶液搅拌混合,再将步骤三制备的载体MCNTs-TNTs 加入到混合溶液中,在室温下浸渍,然后将浸渍混合物在80°C恒温条件下干燥24h,放入 管式炉中在氮气气氛中450°C恒温条件下烘焙6h,得到黑色固体,即为催化剂Mn-Ce-Ni/ P25-MCNTs〇 所述的三元金属复合载体低温SCR系统催化剂的评价过程如下:将所制得的三元金属 复合载体低温SCR系统催化剂放入不锈钢反应管中,采用程序升温反应电炉将反应器加热 到 100~300°C ;将模拟烟气(由浓度为7% 02、0· 1% NO和92. 9%队混合而成)和0· 1% NH3通入反应管,考察SO 2对催化剂活性的影响时,加入浓度分别为0. 01 %、0. 05%、0. 1 %的 S02。在SCR反应稳定进行一段时间之后,通过烟气分析仪检测进口和出口的N0X浓度,在固 定温度点记录下所测数据,并根据以下公式计算转换率:
Figure CN105268451AD00051
其中,<p(iV〇x),"为进口处的叫浓度,为出口处的叫浓度。 催化剂评价结果如下: 本发明所制备的催化剂,在NO初始浓度为lOOOppm、順3浓度为lOOOppm、0 2浓度为7 %、 空速为24000111的操作条件下,在100°(:时,反应活性达到50%,150°(:时达到70%,200 1€ 时达到96 %,250 °C时达到98 %,300 °C时达到92 %。 本发明所制备的催化剂具有较好的抗硫性能,在NO初始浓度lOOOppm,順3与NO浓度 比=1. 1,02= 7%,空速为24000h \反应温度为250°C的操作条件下,反应5h后,S02浓度 为10(^111时,勵转化率可以维持在90%左右,302浓度为50(^111时,勵转化率可以维持在 85 %左右,浓度为lOOOppm时,NO转化率可以维持在70 %左右。
[0042] 本发明所制备的催化剂具有较高的比表面积,采用BET表面及孔径分析仪测定催 化剂样品的孔容、比表面积、孔径分布等。结果表明,三元金属复合载体低温SCR系统催化 剂Mn-Ce-Ni/P25-MCNTs的比表面积为223m2/g,高于单一载体制备的催化剂的比表面积。

Claims (9)

1. 一种三元金属复合载体低温选择性催化还原系统催化剂,其特征是:包括锰、铈、镍 和复合载体,所述的复合载体由多壁碳纳米管和二氧化钛制成。
2. 根据权利要求1所述的三元金属复合载体低温选择性催化还原系统催化剂,其特征 是:MnO#Ti02的摩尔比例为Mn0x:Ti02= 0. 4,铈与钛的质量比为Ce:Ti= 0. 5,镍与钛的 质量比为Ni:Ti= 0. 5。
3. 根据权利要求2所述的三元金属复合载体低温选择性催化还原系统催化剂,其特征 是:1110:(为此0 2和此203中的一种或两种的混合物。此0:(与110 2的摩尔比例为此0:(:1102 =0· 4〇
4. 一种三元金属复合载体低温选择性催化还原系统催化剂的制备方法,其特征是:将 多壁碳纳米管加入到二氧化钛中,再加入去离子水,搅拌2h,超声0. 5h,然后转移到反应釜 中,在干燥箱中进行水热反应,自然冷却至室温后过滤,洗涤,干燥,得到多孔黑色固体,将 所述固体研磨筛分至60~100目,得到载体;以铈和镍的硝酸盐溶液为前驱体,将前驱体与 硝酸锰溶液混合,将所得到的载体加入到混合溶液中,在室温下浸渍,然后将浸渍混合物干 燥,放入管式炉中煅烧,得到黑色固体。
5. 根据权利要求4所述的三元金属复合载体低温选择性催化还原系统催化剂的制备 方法,其特征是:先对多壁碳纳米管进行纯化,所述纯化是将多壁碳纳米管加入浓硝酸并在 回流装置中回流12h,过滤,洗涤,干燥,得到纯化后的多壁碳纳米管。
6. 根据权利要求5所述的三元金属复合载体低温选择性催化还原系统催化剂的制备 方法,其特征是:所述干燥是在80°C恒温条件下干燥12~24h。
7. 根据权利要求6所述的三元金属复合载体低温选择性催化还原系统催化剂的制备 方法,其特征是:多壁碳纳米管与二氧化钛的质量为多壁碳纳米管:二氧化钛=10%。
8. 根据权利要求7所述的三元金属复合载体低温选择性催化还原系统催化剂的制备 方法,其特征是:所述的水热反应为在120°C恒温条件下水热反应8h。
9. 根据权利要求8所述的三元金属复合载体低温选择性催化还原系统催化剂的制备 方法,其特征是:所述的煅烧为在氮气气氛中450°C恒温条件下煅烧6h。
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