CN105561983B - 一种Mn-Ce负载型低温脱硝催化剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Mn‑Ce负载型低温脱硝催化剂及其制备方法，以六水硝酸铈、尿素、PAA、高锰酸钾、硝酸锰和冰醋酸为主要原料，其制备包括二氧化铈载体的制备和活性成分与载体的水热沉积两个步骤。本发明采用硝酸铈、尿素等常见化学试剂来制备纳米二氧化铈载体，制备过程简单可控，相比于市场购买的二氧化铈，具有粉末分散性好、颗粒细小，比表面积更大，拥有更优异的储氧和释氧能力以及抗中毒能力等特点；利用高锰酸钾和硝酸锰之间的中和反应，以二氧化铈为基体进行氧化还原反应，得到锰氧化物和二氧化铈的混合物沉淀，然后进行后续处理，就可以得到负载型锰基低温脱硝催化剂。本发明仅采用水热法，涉及的工艺简单、成本低、效率高。

Description

一种Mn-Ce负载型低温脱硝催化剂及其制备方法
技术领域
本发明属于工业烟气治理领域，具体涉及一种Mn-Ce负载型低温脱硝催化剂及其制备方法。
背景技术
氮氧化物(NOx)是氮与氧的多种化合物的总称，主要来源于火力发电厂等固定源排放的烟气和机动车尾气等，烟气中几乎95％(体积分数)的NOx是以NO的形式存在，因此NO的转化是脱除NOx的关键步骤。对NOx的排放控制包括燃烧过程控制和燃烧后烟气脱硝两方面，在众多脱硝技术中，选择性催化还原技术(SCR)是脱硝率最高、应用最多且较为成熟的脱硝技术。该技术是在特定催化剂作用下，用氨或其它还原剂选择性地将NOx还原为N2和H2O的过程，由于其具有高效性和实用性的特点，现已成为脱氮领域的研究热点。
SCR催化剂的种类很多，包括钒钛类催化剂、MnOx/TiO2类催化剂、分子筛类催化材料等。诸多研究结果表明Mn系金属氧化物具有非常突出的低温催化特性。由于纳米CeO2比表面积大、化学活性高、热稳定性好、良好的储氧和释氧能力，可改变催化剂中活性组分在载体上的分散情况，明显提高其催化性能，在烟气脱硝行业日益受到重视。
已有研究表明，CeO2作为载体使得催化剂表面可以获得更多的化学吸附氧，具有良好的储氧性能和氧化还原性能，并能提高MnOx在催化剂中的分散性。这主要是由于在CeO2中的Ce阳离子上产生的酸位点增强了催化剂表面酸性，从而提高了NH3的吸附率。但目前，CeO2主要作为载体添加剂；且负载型金属氧化物催化剂的常用制备方法一般为沉淀法、溶胶-凝胶法和浸渍法等，这些方法的制备过程中均需考虑多方面因素，控制步骤复杂，且所得产物需进行煅烧，易导致在烧结过程中微观结构发生变化(如孔结构坍塌、表面积急剧减小等)和杂质混入等问题。
发明内容
本发明目的是提供一种Mn-Ce负载型低温脱硝催化剂及其制备方法，所述Mn-Ce负载型低温脱硝催化剂以CeO2直接作为催化剂载体，具有优异的储氧和释氧能力以及抗中毒能力；同时采用水热沉积法制备高活性成分分散性和均匀性的催化剂，涉及的制备方法简单成本低、效率高。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种Mn-Ce负载型低温脱硝催化剂的制备方法，它包括以下步骤：
1)二氧化铈的制备：将六水硝酸铈、尿素和PAA均匀混合于水中进行加热至80-160℃反应12-24h，所得产物依次经过滤、洗涤、干燥、焙烧、研磨得纳米二氧化铈；
2)活性成分(无定形锰氧化物)与载体(纳米二氧化铈)的水热沉积：将步骤1)制备的纳米二氧化铈置于蒸馏水中，进行超声分散，得悬浊液；然后将高锰酸钾、硝酸锰和冰醋酸加入所得悬浊液中，边超声边搅拌，使各原料充分溶解并均匀分散；然后转移到反应器中加热至80-160℃反应6-24h，反应所得沉淀进行过滤、洗涤、干燥、研磨，即得所述的Mn-Ce负载型低温脱硝催化剂。
上述方案中，所述六水硝酸铈、尿素和PAA的质量比为1:(0.3-0.5):(0.02-0.05)。
上述方案中，所述纳米二氧化铈、高锰酸钾、硝酸锰和冰醋酸的摩尔比为1:(0.07-0.33):(0.03-0.17):(0.01-0.05)。
上述方案中，所述干燥温度为90-110℃，干燥时间为6-24h。
优选的，步骤2)中所述水热反应温度为90～110℃。
优选的，步骤2)中所述水热反应时间为6-18h。
上述方案中，步骤1)中所述焙烧温度为300-500℃，焙烧时间为2-5h。
上述方案中，步骤2)中所述超声分散时间为10-30min。
上述方案中，步骤2)中所述的边超声边搅拌时间为10-20min。
根据上述方案制备的Mn-Ce负载型低温脱硝催化剂。
本发明的有益效果为：
1)本发明采用硝酸铈、尿素等常见化学试剂来制备纳米二氧化铈载体，制备工艺简单可控；相比于市场购买的二氧化铈，制备的纳米二氧化铈粉末分散性好、颗粒细小，比表面积更大，拥有更优异的储氧和释氧能力以及抗中毒能力；利用高锰酸钾和硝酸锰之间的中和反应，以二氧化铈为基体进行氧化还原反应，得到的无定形锰氧化物比晶相氧化锰具有更高的质量比活性，而锰和铈的氧化物之间存在着很强的相互作用，可以获得具有很好分散度以及高价态的锰氧化物。
2)本发明采用水热沉积法，所得产物粒子纯度高、分散性好、晶形好且可控制，生产成本低、效率高；制备的粉体无需烧结，可避免在烧结过程中晶粒会长大而且杂质容易混入等缺点。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。
以下实施例如无具体说明，采用的试剂市售化学试剂或工业产品。
实施例1
一种Mn-Ce负载型低温脱硝催化剂，其制备方法包括以下步骤：
1)二氧化铈的制备：将50g硝酸铈、15g尿素和1g PAA溶入200ml蒸馏水中，搅拌10分钟混合均匀，待完全溶解后倒入反应器中，加热至160℃反应12h，所得产物依次经过滤、洗涤、干燥(110℃，6h)、400℃下焙烧3小时、研磨，得纳米二氧化铈粉末；
2)活性成分与载体的水热沉积：首先将步骤1)所得纳米二氧化铈加入100ml蒸馏水水的烧杯中，在超声清洗器中超声分散10分钟，得混匀的悬浊液；然后加入高锰酸钾、硝酸锰和冰醋酸，其中纳米二氧化铈、高锰酸钾、硝酸锰和冰醋酸的摩尔比为1:0.27:0.13:0.02，然后边超声边搅拌，持续15分钟，使各原料充分溶解并均匀分散；然后将所得混合溶液转入烧杯中，并用保鲜膜包裹密封，加热至90℃反应18h，对反应所得沉淀进行过滤、洗涤、干燥后即得所述的Mn-Ce负载型低温脱硝催化剂。
将本实施例制备的Mn-Ce负载型低温脱硝催化剂压制成圆片状(直径为3mm，厚度为2mm)，置于固定床石英管反应器中进行选择性和脱硝性能测试，模拟烟气由N2、O2、NO、NH3组成，其中NO为720ppm，NH3为800ppm，O2为体积分数为3％的，N2作为平衡气，在反应温度为180℃、空速为33600ml/(g·h)的条件下，脱硝效率可以达到80％。
实施例2
一种Mn-Ce负载型低温脱硝催化剂，其制备方法包括以下步骤：
1)二氧化铈的制备：将100g硝酸铈、50g尿素和5g PAA溶入400ml蒸馏水中，搅拌10分钟混合均匀，待完全溶解后倒入反应器中，加热至90℃反应20h，所得产物依次经过滤、洗涤、干燥(90℃，18h)、500℃下焙烧2小时、研磨，得纳米二氧化铈粉末；
2)活性成分与载体的水热沉积：首先将步骤1)所得纳米二氧化铈加入100ml蒸馏水的烧杯中，在超声清洗器中超声分散20分钟，得混匀得悬浊液，然后加入高锰酸钾、硝酸锰和冰醋酸，其中二氧化铈、高锰酸钾和硝酸锰的摩尔比为1:0.2:0.1:0.05，然后边超声边搅拌，持续10分钟，使各原料充分溶解并均匀分散；然后将所得混合溶液转入烧杯中，并用保鲜膜包裹密封，加热至110℃反应6h，对反应所得沉淀进行过滤、洗涤、干燥后即得所述的Mn-Ce负载型低温脱硝催化剂。
将本实施例制备的Mn-Ce负载型低温脱硝催化剂压制成圆片状(直径为3mm，厚度为2mm)，置于固定床石英管反应器中进行选择性和脱硝性能测试，模拟烟气由N2、O2、NO、NH3组成，其中NO为720ppm，NH3为800ppm，O2为体积分数为3％的，N2作为平衡气，在反应温度为180℃、空速为33600ml/(g·h)的条件下，脱硝效率可以达到84％。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种Mn-Ce负载型低温脱硝催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)二氧化铈的制备：将六水硝酸铈、尿素和PAA均匀混合于水中进行加热至80-160℃反应12-24h，所得产物依次经过滤、洗涤、干燥、焙烧、研磨得纳米二氧化铈；
2)活性成分与载体的水热沉积：将步骤1)制备的纳米二氧化铈置于水中，进行超声分散，得悬浊液；然后将高锰酸钾、硝酸锰和冰醋酸加入所得悬浊液中，边超声边搅拌，使各原料充分溶解并均匀分散；然后转移到反应器中加热至90-110℃反应6-18h，反应所得沉淀进行过滤、洗涤、干燥、研磨，即得所述的Mn-Ce负载型低温脱硝催化剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述六水硝酸铈、尿素和PAA的质量比为1:(0.3-0.5):(0.02-0.05)。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米二氧化铈、高锰酸钾、硝酸锰和冰醋酸的摩尔比为1:(0.07-0.33):(0.03-0.17):(0.01-0.05)。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述干燥温度为90-110℃，干燥时间为6-24h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述焙烧温度为300-500℃，焙烧时间为2-5h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述超声分散时间为10-30min。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述的边超声边搅拌时间为10-20min。
8.根据权利要求1～7任一项所述制备方法制备的Mn-Ce负载型低温脱硝催化剂。
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