CN105413689A - 一种Fe/TiO2中温脱硝催化剂及制备方法与应用 - Google Patents

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黄张根
李昱琳
韩小金
侯启雄
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Abstract

一种Fe/TiO2中温脱硝催化剂，其特征在于催化剂以F127为模板剂，以硝酸铁(Fe(NO3)3？9H2O)、钛酸丁酯(C16H36O4Ti)分别为活性组分和载体的前驱体，催化剂各组分质量百分比为Fe：5%-15%，载体TiO2:85%-95%。本发明具有制备方法简单，催化活性高，吸附能力强的优点。

Description

一种Fe/TiO2中温脱硝催化剂及制备方法与应用
技术领域
本发明属于一种脱硝催化剂的制备方法，具体涉及一种Fe/TiO2中温脱硝催化剂及制备方法与应用。
背景技术
SO2和NOX等大气污染物引起的酸雨、酸雾以及PM2.5等现象严重破坏生态环境和危害人体健康，是我国目前大气环境治理的重点。现今约90％的燃煤电厂已安装了脱硫装置，而仅有50％的燃煤电厂安装使用了脱硝装置，另外大量的工业窑炉、钢铁及焦炉烟气等还没有配置脱硫和脱硝系统。选择性催化还原(SCR)是目前应用比较广泛的烟气脱硝技术之一，其中电厂使用的脱硝催化剂主要是V2O5/TiO2、V2O5-WO3/TiO2等，其工作温度在330-400℃，因此SCR装置必须放置在除尘和脱硫系统之前。工业窑炉、烧结和焦炉烟气等温度普遍低于280℃，工业成熟的V2O5/TiO2脱硝催化剂并不能应用在该温度范围。因此，适用于中温(150-280℃)的SCR技术成为研究人员关注的热点。
目前，在脱硝催化剂方面，多数的研究者着重于研究低温脱硝催化剂，对于中温的催化剂鲜有报道。如吴忠标等在《一种制备烟气低温脱硝催化剂及其制备方法(专利号：201310067488.5)》中研发了Mn/SiO2催化剂，着重考察了200℃以下的脱硝性能；王忠渠等(专利号：201010611242.6)开发的低温烟气脱硝SCR催化剂是以玻璃纤维和硅藻土为载体，Mn、Ce、Zr等为活性组分，可用于100-200℃低温烟气脱硝。因此，开发一种能够适用于工业窑炉、烧结和焦炉烟气的中温(180～250℃)脱硝催化剂具有重要的意义。
Fe基催化剂具有较宽的活性温度窗口、优异的中高温活性和N2选择性而在SCR研究领域内受到广泛关注。贺泓等[Chemical communications,2008,17,2043-2045]研究了铁钛复合氧化物(FeTiOX)催化剂，使Fe和Ti两种物质在原子尺度上充分混合并高度 分散，在200-350℃时，表现良好的中高温催化性能，该固溶体催化剂采用共沉淀法制备，操作较为复杂。
发明内容
本发明目的在于提供一种制备方法简单，催化活性高，吸附能力强的Fe/TiO2中温脱硝催化剂及制备方法与应用。
本发明通过改变催化剂的制备途径，寻求制备方法简单且在中温段具有良好活性的Fe基催化剂。在SCR脱硝反应中，气体吸附到催化剂表面的过程是关键的一步，该过程与催化剂的比表面积、孔道结构等因素有关。因此，可以通过改变催化剂的孔道结构来提高催化剂在中温段的活性。模板剂在催化剂制备过程中对催化剂微观结构性质(如催化剂的孔径分布及活性组分在催化剂表面的分散情况等)有一定的影响。因此，本发明旨在用模板剂来改善催化剂孔道结构，来提高催化剂在中温段的脱硝性能。
本发明的催化剂以F127为模板剂，以硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)、钛酸丁酯(C16H36O4Ti)分别为活性组分和载体的前驱体，催化剂各组分质量百分比为Fe：5％-15％，载体TiO2:85％-95％
本发明催化剂的制备方法包括如下步骤：
室温下将F127溶于无水乙醇中，60℃下微热，使其完全溶解，加入钛酸丁酯，乙酸，室温下搅拌形成淡黄色透明溶液，配制1.5mol/L的硝酸铁溶液，按Fe/TiO2质量比为5％-15％加入到上述溶液中，继续搅拌2h，静置形成凝胶，110℃空气中干燥12h，400℃空气气氛下煅烧3h，即得所需催化剂，其中乙醇：F127：钛酸丁酯：醋酸的摩尔比＝100：0.05-0.15：5-12：11-13。
本发明催化剂中温脱硝的操作条件：固定床反应器、温度180-250℃、常压、反应空速12000-24000h-1。
本方法制备的催化剂与其他方法相比具有以下优势：
1.溶液配制简单，操作简便，仅需添加适量的模板剂就可以调控孔道结构，工艺简单。
2.催化剂具有较大的比表面积，具有较强的吸附能力。
3.由于载体和活性组分都是由前驱体制得，在干燥煅烧过程中离子相互作用产生更多的活性中心，有利于脱硝反应的进行。
4.催化剂在中温段(180-250℃)具有较高的催化活性。
附图说明
图1是本发明实施例1催化剂的BET图。
图2是本发明实施例1催化剂的SEM图。
图3是本发明实施例1催化剂的脱硝效率图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实例进一步说明本发明。
实施例1
将10.0g F127溶于40ml无水乙醇中，60℃下微热，使其完全溶解。加入34ml钛酸丁酯，6ml乙酸，室温下搅拌形成淡黄色透明溶液。取1.5mol/L的硝酸铁溶液9.6ml，逐滴加入到上述溶液中，室温下搅拌2h，静置，形成凝胶。凝胶在110℃空气中干燥12h，400℃空气氛围下煅烧3h，即得到质量百分比为10％的Fe/TiO2催化剂。BET结果分析，催化剂孔径集中在10nm左右(如图1所示)。SEM测试结果表明该方法制备的催化剂分散性良好(如图2所示)。将催化剂装入固定床反应器中，通入常压下模拟烟气6.5％O2，[NH3]＝[NO]＝500ppm，平衡气N2，反应空速12000h-1，180℃，脱硝效率达到91％(如图3所示)。
实施例2
将10.0g F127溶于40ml无水乙醇中，60℃下微热，使其完全溶解。加入34ml钛酸丁酯，6ml乙酸，室温下搅拌形成淡黄色透明溶液。取1.5mol/L的硝酸铁溶液4.8ml，逐滴加入到钛酸丁酯溶液中，室温下搅拌2h，静置，形成凝胶。凝胶在110℃空气中干燥12h，400℃空气氛围下煅烧3h，得到质量百分比为5％的Fe/TiO2催化剂。将催化剂装入固定床反应器中，通入常压下模拟烟气6.5％ O2，[NH3]＝[NO]＝500ppm，平衡气N2，反应空速12000h-1，210℃，脱硝效率达到85％。
实施例3
将5g F127溶于40ml无水乙醇中，60℃下微热，使其完全溶解。加入17ml钛酸丁酯，6ml乙酸，室温下搅拌形成淡黄色透明溶液。取1.5mol/L的硝酸铁溶液7.2ml，逐滴的加入到钛酸丁酯溶液中，室温下搅拌2h，静置，形成凝胶。凝胶在110℃空气中干燥12h，400℃空气氛围下煅烧3h，得到质量百分比为15％的Fe/TiO2催化剂。将催化剂装入固定床反应器中，通入常压下模拟烟气6.5％O2，[NH3]＝[NO]＝500ppm，平衡气N2，反应空速12000h-1，180℃，脱硝效率达到71％。
实施例4
将10g F127溶于40ml无水乙醇中，60℃下微热，使其完全溶解。加入34ml钛酸丁酯，6ml乙酸，室温下搅拌形成淡黄色透明溶液。取1.5mol/L的硝酸铁溶液9.6ml，逐滴加入到钛酸丁酯溶液中，室温下搅拌2h，静置，形成凝胶。凝胶在110℃空气中干燥12h，400℃空气氛围下煅烧3h，得到质量百分比为10％的Fe/TiO2催化剂。将催化剂装入固定床反应器中，通入常压下模拟烟气6.5％O2，[NH3]＝[NO]＝500ppm，平衡气N2，反应空速24000h-1，210℃，脱硝效率达到80％。
实施例5
将10g F127溶于40ml无水乙醇中，60℃下微热，使其完全溶解。加入34ml钛酸丁酯，6ml乙酸，室温下搅拌形成淡黄色透明溶液。取1.5mol/L的硝酸铁溶液9.6ml，逐滴加入到钛酸丁酯溶液中，室温下搅拌2h，静置，形成凝胶。凝胶在110℃空气中干燥12h，400℃空气氛围下煅烧3h，得到质量百分比为10％的Fe/TiO2催化剂。将催化剂装入固定床反应器中，通入常压下模拟烟气6.5％O2，[NH3]＝[NO]＝500ppm，平衡N2，反应空速12000h-1，240℃，脱硝效率 达到78％。
实施例6
将15g F127溶于40ml无水乙醇中，60℃下微热，使其完全溶解。加入34ml钛酸丁酯，6ml乙酸，室温下搅拌形成淡黄色透明溶液。取1.5mol/L的硝酸铁溶液9.6ml，逐滴加入到钛酸丁酯溶液中，室温下搅拌2h，静置，形成凝胶。凝胶在110℃空气中干燥12h，400℃空气氛围下煅烧3h，得到质量百分比为10％的Fe/TiO2催化剂。将催化剂装入固定床反应器中，通入常压下模拟烟气6.5％O2，[NH3]＝[NO]＝500ppm，平衡N2，反应空速18000h-1，240℃，脱硝效率达到81％。

Claims (3)

1.一种Fe/TiO2中温脱硝催化剂，其特征在于催化剂以F127为模板剂，以硝酸铁(Fe(NO3)3▪9H2O)、钛酸丁酯(C16H36O4Ti)分别为活性组分和载体的前驱体，催化剂各组分质量百分比为Fe：5% -15%，载体TiO2: 85% - 95%。
2.如权利要求1所述一种Fe/TiO2中温脱硝催化剂的制备方法，其特征在于的包括如下步骤：
室温下将 F127溶于无水乙醇中，60℃下微热，使其完全溶解，加入钛酸丁酯，乙酸，室温下搅拌形成淡黄色透明溶液，配制1.5mol/L的硝酸铁溶液，按Fe/TiO2质量比为5% - 15%加入到上述溶液中，继续搅拌2h，静置形成凝胶，110℃空气中干燥12h，400℃空气气氛下煅烧3h，即得所需催化剂，其中乙醇：F127：钛酸丁酯：醋酸的摩尔比＝100：0.05-0.15：5-12：11-13。
3.本如权利要求1所述一种Fe/TiO2中温脱硝催化剂的应用，其特征在于的包括如下步骤：
使用于固定床反应器、温度180-250℃、常压、反应空速 12000-24000h-1。
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