CN105727926B - 一种用于烟气脱硝的高性能铈钛负载氧化锆催化剂及其制法 - Google Patents

一种用于烟气脱硝的高性能铈钛负载氧化锆催化剂及其制法 Download PDF

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Abstract

本发明为铈钛负载氧化锆催化剂，其载体为锐钛矿型均一的铈钛固溶体，活性组分氧化锆以高分散的状态存在于载体表面。本发明的铈钛负载氧化锆催化剂具有高热稳定性、优异氧化还原性能等特点。在NH3选择性催化还原NO反应中具有较高的活性和选择性，在脱硝领域中具有潜在的应用价值。本发明公开了其制法。

Description

一种用于烟气脱硝的高性能铈钛负载氧化锆催化剂及其制法
技术领域
本发明涉及用于烟气脱硝的铈钛负载氧化锆催化剂及其制备方法。
背景技术
氮氧化物（NOx）是形成雾霾的主要污染物之一，也是造成酸雨和光化学烟雾的主要污染物，对生态环境和人体健康危害极大。氮氧化物排放主要来自固定源（如大型燃煤电厂的烟气）和移动源（如机动车尾气）。随着我国经济的飞速发展，以煤为主要燃料的能源格局和快速发展的汽车工业，直接导致我国近年来氮氧化物排放量急剧增加，其治理已经刻不容缓。在NOx排放控制技术中，以NH3为还原剂选择性催化还原NOx技术（即NH3-SCR技术），是燃煤电厂烟气脱硝最行之有效的方法。
目前，工业化应用的NH3-SCR催化剂主要是V2O5-WO3(MoO3)/TiO2催化剂，该催化剂的特点是在燃煤锅炉电站中的NOx脱除效率在80%以上，且具有良好的抗硫性能。但是该类催化剂仍然存在不足，如活性组分V2O5具有毒、操作温度窗口较窄、高温时生成大量温室气体N2O、高温热稳定性差等，这些不足制约了该类催化剂在实际燃煤电厂烟气和机动车尾气净化中的广泛应用。因此，研究开发具有高NH3-SCR活性、高选择性和高热稳定性的环境友好型钛基催化剂，具有重要的科学意义和实际生产价值。在对钛基催化剂改性的众多氧化物中，ZrO2和CeO2不仅能够提高TiO2的比表面积和机械强度，还能大大提高催化剂的氧化还原性能和热稳定性，从而改善催化剂的脱硝性能。
我们通过一种简便的制备方法，成功制备了一系列具有较高热稳定性的的铈钛负载氧化锆催化剂，其在NH3-SCR催化中表现出优异的催化性能。由于该方法所用原料廉价易得，操作简便快捷，能耗小，对设备无特殊要求，附加环境污染少，使其在燃煤电厂烟气脱硝领域有着潜在的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种铈钛负载氧化锆催化剂及其制备方法和用途。采用以氨水为沉淀剂的共沉淀法制备铈钛固溶体载体，采用简单的浸渍法，负载活性组分氧化锆，所制备的铈钛负载氧化锆催化剂具有热稳定性好、氧化还原性能好、NH3-SCR活性高等特点。
本发明的原理如下：由于铈离子和钛离子的溶度积（K sp ）不同，为使两种离子尽可能地同时沉淀，我们采用氨水过量共沉淀法来制备样品，分别将硝酸铈和硫酸钛溶解并混合均匀后逐滴滴加过量的浓氨水，使其沉淀完全，然后经过老化、过滤、洗涤、干燥、焙烧制得钛铈固溶体载体。利用活性组分和载体的相互作用，通过浸渍法使活性组分氧化锆在铈钛固溶体表面分散，制备铈钛负载氧化锆催化剂。
本发明的技术方案如下：
一种铈钛负载氧化锆催化剂，以共沉淀法合成的铈钛固溶体为载体，通过浸渍负载活性组分氧化锆，氧化锆主要以高分散的状态负载在铈钛固溶体表面。
一种制备上述的铈钛负载氧化锆催化剂的方法，由如下步骤组成：
步骤1. 将0.81 g硝酸铈和9.12 g硫酸钛溶解于350 mL蒸馏水中，室温下磁力搅拌30 min使其混合均匀，然后逐滴加入浓氨水，浓氨水浓度为13.2 mol·L-1，调节pH值为10，在90 oC水浴中磁力搅拌3 h使其沉淀完全，老化24 h，抽滤，洗涤，将滤饼在120 oC干燥12 h，研磨均匀，在马弗炉中空气气氛下550 oC焙烧6 h，即得到铈钛固溶体载体，标记为CeTi。
步骤2. 以步骤1得到的CeTi为载体，将CeTi与超纯水混合，搅拌30 min，加入0.1mol·L-1硝酸锆溶液，各物质的用量比为: CeTi:水:硝酸锆溶液(0.1 mol·L-1) =1g:10mL:0.6-8.5mL，继续搅拌30 min，在90 oC油浴中搅拌蒸干；将样品在120 oC干燥12 h，研磨，在管式炉中空气气氛下500 oC焙烧6 h，即得到不同ZrO2含量的铈钛负载氧化锆催化剂，标记为xZrO2/CeTi (x= 1、3、5、7、9，表示ZrO2/(ZrO2 + CeTi)的质量百分比)。
本发明的铈钛负载氧化锆催化剂具有热稳定性好、氧化还原性能好、脱硝活性高等特点。本发明的铈钛负载氧化锆催化剂制备方法，由于原料便宜易得，操作步骤简单，设备要求不高，使其在催化脱硝领域有着良好的应用前景。
本发明所采用的制备方法的优点：
1. 所用原料廉价易得，制备方法简便，设备简单，环境友好；
2. 所得铈钛负载氧化锆催化剂热稳定性高，氧化还原性能好；
3. 本发明的催化剂具有优良的脱硝活性，具有潜在的工业应用前景。
附图说明
图1为本发明的铈钛负载氧化锆催化剂的XRD结果。由图可知，Ce4+能很好地掺入锐钛矿型TiO2的晶格形成均匀的铈钛固溶体，ZrO2以高分散状态存在。
图2为本发明的铈钛负载氧化锆催化剂的H2-TPR结果。由图可知，本发明的铈钛负载氧化锆催化剂具有较好的的还原性能。
图3为本发明的铈钛负载氧化锆催化剂的NH3-SCR反应性能结果。图(a)是铈钛负载氧化锆催化剂的NO转化率结果，图(b)是铈钛负载氧化锆催化剂的N2选择性结果。
具体实施方式
实施例1. CeTi载体的制备
将0.81 g硝酸铈和9.12 g硫酸钛溶解于350 mL蒸馏水中，室温下磁力搅拌30 min使其混合均匀，然后逐滴加入浓氨水，浓氨水浓度为13.2 mol·L-1，调节pH值为10，在90 oC水浴中磁力搅拌3 h使其沉淀完全，老化24 h，抽滤，洗涤，将滤饼在120 oC干燥12 h，研磨均匀，在马弗炉中空气气氛下550 oC焙烧6 h，即得到铈钛固溶体载体，标记为CeTi。
实施例2. 1ZrO2/CeTi催化剂的制备
将1 g CeTi载体与超纯水混合，搅拌30 min，加入0.82 mL 0.1 mol·L-1硝酸锆溶液，继续搅拌30 min，在90 oC油浴中搅拌蒸干；将样品在120 oC干燥12 h，研磨，在管式炉中空气气氛下500 oC焙烧6 h，即得到1ZrO2/CeTi催化剂。其XRD测定结果见图1，H2-TPR测定结果见图2，脱硝性能测定结果见图3。
实施例3. 3ZrO2/CeTi催化剂的制备
将1 g CeTi载体与超纯水混合，搅拌30 min，加入2.51 mL 0.1 mol·L-1硝酸锆溶液，继续搅拌30 min，在90 oC油浴中搅拌蒸干；将样品在120 oC干燥12 h，研磨，在管式炉中空气气氛下500 oC焙烧6 h，即得到3ZrO2/CeTi催化剂。其XRD测定结果见图1，H2-TPR测定结果见图2，脱硝性能测定结果见图3。
实施例4. 5ZrO2/CeTi催化剂的制备
将1 g CeTi载体与超纯水混合，搅拌30 min，加入4.27 mL 0.1 mol·L-1硝酸锆溶液，继续搅拌30 min，在90 oC油浴中搅拌蒸干；将样品在120 oC干燥12 h，研磨，在管式炉中空气气氛下500 oC焙烧6 h，即得到5ZrO2/CeTi催化剂。其XRD测定结果见图1，H2-TPR测定结果见图2，脱硝性能测定结果见图3。
实施例5. 7ZrO2/CeTi催化剂的制备
将1 g CeTi载体与超纯水混合，搅拌30 min，加入6.11 mL 0.1 mol·L-1硝酸锆溶液，继续搅拌30 min，在90 oC油浴中搅拌蒸干；将样品在120 oC干燥12 h，研磨，在管式炉中空气气氛下500 oC焙烧6 h，即得到7ZrO2/CeTi催化剂。其XRD测定结果见图1，H2-TPR测定结果见图2，脱硝性能测定结果见图3。
实施例6. 9ZrO2/CeTi催化剂的制备
将1 g CeTi载体与超纯水混合，搅拌30 min，加入8.03 mL 0.1 mol·L-1硝酸锆溶液，继续搅拌30 min，在90 oC油浴中搅拌蒸干；将样品在120 oC干燥12 h，研磨，在管式炉中空气气氛下500 oC焙烧6 h，即得到9ZrO2/CeTi催化剂。其XRD测定结果见图1，H2-TPR测定结果见图2，脱硝性能测定结果见图3。
实施例7. 本发明的铈钛负载氧化锆催化剂的NH3-SCR脱硝性能测试
该反应在微反应催化装置上进行，催化剂用量为0.1 g，将催化剂在200 ºC He气氛中预处理30 min，冷却至室温，通入反应气，反应气组成为500 ppm NO、500 ppm NH3、5%O2，余气为氦气，常压条件下气体总流速为100 mL·min-1，催化反应的温度为200-500 oC。用红外光谱仪检测出口的NH3和N2O浓度，用氮氧化物分析仪检测出口的NO、NO2和NOx浓度，催化剂的NOx转化率和N2选择性结果见图3。

Claims (3)

1.一种用于氨选择性催化还原氮氧化物的铈钛负载氧化锆催化剂，其特征是：其载体主要成分为铈钛固溶体，Ce4+能很好地掺入锐钛矿型TiO2的晶格形成均匀的铈钛固溶体，氧化锆主要以高分散的形式负载在铈钛固溶体表面，氧化锆含量为1-9wt％；
其制备方法为：将0.81g硝酸铈和9.12g硫酸钛溶解于350mL蒸馏水中，室温下磁力搅拌30min使其混合均匀，然后逐滴加入浓氨水，调节pH值为10，在90℃水浴中磁力搅拌3h使其沉淀完全，老化24h，抽滤，洗涤，将滤饼在120℃干燥12h，研磨均匀，在马弗炉中空气气氛下550℃焙烧6h，即得到铈钛固溶体载体；将铈钛固溶体载体与超纯水混合，搅拌30min，加入0.1mol·L-1硝酸锆溶液，各物质的用量比为：铈钛固溶体载体：水：硝酸锆溶液(0.1mol·L-1)＝1g：10mL：0.6-8.5mL，继续搅拌30min，在90℃油浴中搅拌蒸干；将样品在120℃干燥12h，研磨，在管式炉中空气气氛下500℃焙烧6h，即得到不同氧化锆含量的铈钛负载氧化锆催化剂；所述的浓氨水的浓度为13.2mol·L-1。
2.一种制备权利要求1所述的铈钛负载氧化锆催化剂的方法，其特征是：将0.81g硝酸铈和9.12g硫酸钛溶解于350mL蒸馏水中，室温下磁力搅拌30min使其混合均匀，然后逐滴加入浓氨水，调节pH值为10，在90℃水浴中磁力搅拌3h使其沉淀完全，老化24h，抽滤，洗涤，将滤饼在120℃干燥12h，研磨均匀，在马弗炉中空气气氛下550℃焙烧6h，即得到铈钛固溶体载体；将铈钛固溶体载体与超纯水混合，搅拌30min，加入0.1mol·L-1硝酸锆溶液，各物质的用量比为：铈钛固溶体载体：水：硝酸锆溶液(0.1mol·L-1)＝1g：10mL：0.6-8.5mL，继续搅拌30min，在90℃油浴中搅拌蒸干；将样品在120℃干燥12h，研磨，在管式炉中空气气氛下500℃焙烧6h，即得到不同氧化锆含量的铈钛负载氧化锆催化剂；所述的浓氨水的浓度为13.2mol·L-1。
3.权利要求1所述的铈钛负载氧化锆催化剂作为脱硝催化剂在烟气催化脱硝中的应用。
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