CN106111183A - 一种选择性催化还原氮氧化物的催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于环境保护和催化剂技术领域，具体涉及一种选择性催化还原氮氧化物的催化剂及其制备方法。包括分子筛和负载在所述分子筛上的过渡金属，由分子筛和过渡金属前驱体制成，经过对分子筛烘干，以除去吸附的水分；再将金属前驱体与水混合，搅拌溶解，制得溶液；制备的溶液与预处理后的分子筛搅拌混合，静置、干燥、煅烧、冷却至常温即得用于选择性催化还原氮氧化物的催化剂。本发明使用分子筛作为载体，为氮氧化物的吸附和反应提供了有效的表面，同时可维持活性组分高度分散，减少活性组分的用量。载体自身的特性及不同金属间的协同增效作用，提高了催化剂的低温活性，拓宽了催化剂的活性窗口温度。本发明催化剂制备方法简单易行，无污染。
Description
技术领域
本发明属于环境保护和催化剂技术领域，具体涉及一种选择性催化还原氮氧化物的催化剂及其制备方法。
背景技术
氮氧化物(NOx)是大气中的主要污染物之一，不仅能引起酸雨、光化学烟雾及臭氧层破坏等问题，还会严重影响人体健康，危害人的生命。空气中的NOx主要来源于以工业锅炉和燃煤电厂烟气为主的固定源，以及机动车和船舶尾气为主的移动源。如何有效脱除这两类排放源所产生的NOx已经成为全球性的课题。
NOx的脱除技术包括：湿法脱除技术，存储还原技术(NSR)，直接催化分解技术，等离子脱除技术，选择性非催化还原技术(SNCR)，以及选择性催化还原技术(SCR)。众多脱除技术中，SCR技术是目前研究最多，而且非常行之有效的NOx脱除技术，通过向反应体系中额外添加还原剂，在催化剂的作用下，有选择性的将NOx还原为N2。根据所添加还原剂的不同，SCR技术主要包括氨选择性催化还原(NH3-SCR)和烃类选择性催化还原(HC-SCR)。NH3-SCR技术具有高的脱硝效率和N2选择性，并具有良好的经济性，所以是目前世界上应用最多、最为成熟有效的脱除固定源NOx的方法，为了解决NH3-SCR技术在移动源中的应用，研究者们选择尿素水溶液作为氨源对机动车、船舶尾气中的NOx进行脱除。
催化剂是NH3-SCR技术的核心，目前商用的SCR脱硝催化剂主要是V2O5-WO3(MoO3)/TiO2催化剂，该催化剂在中温段(300～400℃)表现出不错的NOx脱除效果和抗SO2中毒能力，较好地满足了工业锅炉、燃煤电厂烟气等固定源脱硝的要求。其中，TiO2作为载体，具有较好的抗SO2性能；V2O5是主要的活性组分，但在脱除NOx的同时也会促进SO2的氧化；而WO3的添加能够有效的抑制SO2的转化，MoO3作为助剂能够稳定催化剂的结构。该催化剂虽工业应用多年，但仍存在低温活性较差、活性温度窗口较窄、高温稳定性差、SO2氧化为SO3等问题。
目前，研究低温活性良好、活性温度窗口宽、抗水热性能和抗硫性能好的SCR催化剂，已成为国内外相关领域的研究热点，其中分子筛类催化材料的研究尤为活跃。该类型催化剂具有很好的吸附性能和灵活性，在制备中只要改变分子筛表面负载的金属种类，催化剂的活性温度就会发生相应的改变，使得活性温度可控。
发明内容
为解决上述技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种选择性催化还原氮氧化物的催化剂及其制备方法，该催化剂具有良好的低温活性和较宽的活性温度窗口。
本发明所采用的技术方案是：一种选择性催化还原氮氧化物的催化剂，其中：该催化剂包括分子筛和负载在所述分子筛上的过渡金属，由分子筛和过渡金属前驱体制成，其中过渡金属的质量与分子筛的质量比为0.01～0.10。
所述分子筛选自具有MFI、CHA、FER、BEA、FAU、MOR骨架类型的分子筛中的一种或几种的混合物。
所述具有MFI骨架类型的分子筛为ZSM-5分子筛，所述具有CHA骨架类型的分子筛为SAPO-34分子筛、SSZ-13分子筛，具有FER骨架结构的分子筛为镁碱沸石分子筛，所述具有BEA骨架类型的分子筛为β分子筛，所述具有FAU结构的分子筛为Y分子筛，所述具有MOR结构的分子筛为丝光沸石分子筛。
所述分子筛选自ZSM-5分子筛、SAPO-34分子筛、SSZ-13分子筛、β分子筛中的一种或几种的混合物。
所述的分子筛BET比表面积≥500m2/g。
所述过渡金属是Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种或几种的组合物。
所述过渡金属是Mn、Fe、Cu、Zr、La、Ce中的一种或几种的组合物。
所述过渡金属是Cu、Fe、Ce中的一种或几种的组合物。
所述过渡金属前驱体选自过渡金属的硝酸盐、醋酸盐、硫酸盐、氯化物、氯酸盐可溶性盐类中的一种或几种的混合物。
一种制备所述一种选择性催化还原氮氧化物的催化剂的方法，其中：包括以下步骤：
1)将分子筛在100～120℃的温度下烘干2～4小时，以除去分子筛吸附的水分；
2)将过渡金属前驱体与水混合，搅拌溶解，制得溶液，溶液的体积为步骤1)预处理后的分子筛的质量×比孔容；
3)将步骤2)制备的溶液与步骤1)预处理后的分子筛搅拌混合，置于烘箱内在100～120℃的温度下干燥2～12小时后，再放入马弗炉中，在500～550℃的煅烧温度下煅烧3～6小时；
4)将煅烧后的物料冷却至常温即得用于选择性催化还原氮氧化物的催化剂。
本发明采用以上技术方案，使用高比表面积的分子筛作为载体，为氮氧化物的吸附和反应提供了有效的表面，同时可维持活性组分高度分散，减少活性组分的用量。载体自身的特性及不同金属间的协同增效作用，提高了催化剂的低温活性，拓宽了催化剂的活性窗口温度。同时，本发明催化剂制备方法简单易行，无污染。
具体实施方式
实施例1
本实施例一种选择性催化还原氮氧化物的催化剂，其中：该催化剂包括SAPO-34分子筛和负载在所述分子筛上的Cu金属，由SAPO-34分子筛和硝酸铜制成，其中Cu金属的质量与SAPO-34分子筛的质量比为0.01。其中，分子筛BET比表面积≥500m2/g。
制备方法如下：
1)将SAPO-34分子筛在100℃的温度下烘干2小时，以除去分子筛吸附的水分；
2)将硝酸铜与水混合，搅拌溶解，制得溶液，溶液的体积为步骤1)预处理后的分子筛的质量×比孔容；
3)将步骤2)制备的硝酸铜溶液与步骤1)预处理后的SAPO-34分子筛搅拌混合，置于烘箱内在100℃的温度下干燥2小时后，再放入马弗炉中，在500℃的煅烧温度下煅烧3小时；
4)将煅烧后的物料冷却至常温即得用于选择性催化还原氮氧化物的催化剂。
实施例2
本实施例一种选择性催化还原氮氧化物的催化剂，其中：该催化剂包括β分子筛和负载在所述分子筛上的Fe、Ce金属，由β分子筛和硝酸铁、硝酸铈制成，其中Fe金属与Ce金属质量比为1:4，Fe金属与Ce金属的总质量与β分子筛的质量比为0.10。其中，分子筛BET比表面积≥500m2/g。
制备方法如下：
1)将β分子筛在120℃的温度下烘干4小时，以除去分子筛吸附的水分；
2)将硝酸铁、硝酸铈与水混合，搅拌溶解，制得溶液，溶液的体积为步骤1)预处理后的分子筛的质量×比孔容；
3)将步骤2)制备的硝酸铁、硝酸铈混合溶液与步骤1)预处理后的β分子筛搅拌混合，置于烘箱内在120℃的温度下干燥12小时后，再放入马弗炉中，在550℃的煅烧温度下煅烧6小时；
4)将煅烧后的物料冷却至常温即得用于选择性催化还原氮氧化物的催化剂。
实施例3
本实施例一种选择性催化还原氮氧化物的催化剂，其中：该催化剂包括SSZ-13分子筛和负载在所述分子筛上的Cu金属，由SSZ-13分子筛和硝酸铜制成，其中Cu金属的质量与SSZ-13分子筛的质量比为0.03。其中，分子筛BET比表面积≥500m2/g。
制备方法如下：
1)将SSZ-13分子筛在105℃的温度下烘干3小时，以除去分子筛吸附的水分；
2)将硝酸铜与水混合，搅拌溶解，制得溶液，溶液的体积为步骤1)预处理后的分子筛的质量×比孔容；
3)将步骤2)制备的硝酸铜溶液与步骤1)预处理后的SSZ-13分子筛搅拌混合，置于烘箱内在105℃的温度下干燥8小时后，再放入马弗炉中，在510℃的煅烧温度下煅烧4小时；
4)将煅烧后的物料冷却至常温即得用于选择性催化还原氮氧化物的催化剂。
实施例4
本实施例一种选择性催化还原氮氧化物的催化剂，其中：该催化剂包括ZSM-5分子筛和负载在所述分子筛上的Cu金属，由ZSM-5分子筛和氯化亚铜制成，其中Cu金属的质量与ZSM-5分子筛的质量比为0.05。其中，分子筛BET比表面积≥500m2/g。
制备方法如下：
1)将ZSM-5分子筛在115℃的温度下烘干3小时，以除去分子筛吸附的水分；
2)将氯化亚铜与水混合，搅拌溶解，制得溶液，溶液的体积为步骤1)预处理后的分子筛的质量×比孔容；
3)将步骤2)制备的氯化亚铜溶液与步骤1)预处理后的ZSM-5分子筛搅拌混合，置于烘箱内在110℃的温度下干燥12小时后，再放入马弗炉中，在530℃的煅烧温度下煅烧5小时；
4)将煅烧后的物料冷却至常温即得用于选择性催化还原氮氧化物的催化剂。
实施例5
本实施例一种选择性催化还原氮氧化物的催化剂，其中：该催化剂包括SAPO-34分子筛和负载在所述分子筛上的Cu、Ce金属，由SAPO-34分子筛和硝酸铜、硝酸铈制成，其中Cu金属与Ce金属质量比为3:1，Cu金属与Ce金属的总质量与SAPO-34分子筛的质量比为0.04。其中，分子筛BET比表面积≥500m2/g。
制备方法如下：
1)将SAPO-34分子筛在110℃的温度下烘干4小时，以除去分子筛吸附的水分；
2)将硝酸铜、硝酸铈与水混合，搅拌溶解，制得溶液，溶液的体积为步骤1)预处理后的分子筛的质量×比孔容；
3)将步骤2)制备的硝酸铜、硝酸铈混合溶液与步骤1)预处理后的SAPO-34分子筛搅拌混合，置于烘箱内在100℃的温度下干燥12小时后，再放入马弗炉中，在550℃的煅烧温度下煅烧4小时；
4)将煅烧后的物料冷却至常温即得用于选择性催化还原氮氧化物的催化剂。
实施例6
本实施例一种选择性催化还原氮氧化物的催化剂，其中：该催化剂包括ZSM-5分子筛和负载在所述分子筛上的Fe金属，由ZSM-5分子筛和氯化亚铁制成，其中Fe金属的质量与ZSM-5分子筛的质量比为0.075。其中，分子筛BET比表面积≥500m2/g。
制备方法如下：
1)将ZSM-5分子筛在120℃的温度下烘干2小时，以除去分子筛吸附的水分；
2)将氯化亚铁与水混合，搅拌溶解，制得溶液，溶液的体积为步骤1)预处理后的分子筛的质量×比孔容；
3)将步骤2)制备的氯化亚铁溶液与步骤1)预处理后的ZSM-5分子筛搅拌混合，置于烘箱内在115℃的温度下干燥6小时后，再放入马弗炉中，在500℃的煅烧温度下煅烧6小时；
4)将煅烧后的物料冷却至常温即得用于选择性催化还原氮氧化物的催化剂。
实施例7
本实施例一种选择性催化还原氮氧化物的催化剂，其中：该催化剂包括ZSM-5分子筛和负载在所述分子筛上的Cu、Fe金属，由ZSM-5分子筛和硝酸铜、硝酸铁制成，其中Cu金属与Fe金属质量比为1:2，Cu金属与Fe金属的总质量与ZSM-5分子筛的质量比为0.06。其中，分子筛BET比表面积≥500m2/g。
制备方法如下：
1)将ZSM-5分子筛在110℃的温度下烘干3小时，以除去分子筛吸附的水分；
2)将硝酸铜、硝酸铁与水混合，搅拌溶解，制得溶液，溶液的体积为步骤1)预处理后的分子筛的质量×比孔容；
3)将步骤2)制备的硝酸铜、硝酸铁混合溶液与步骤1)预处理后的ZSM-5分子筛搅拌混合，置于烘箱内在110℃的温度下干燥12小时后，再放入马弗炉中，在550℃的煅烧温度下煅烧3小时；
4)将煅烧后的物料冷却至常温即得用于选择性催化还原氮氧化物的催化剂。
活性评价结果：
将本发明的各实施例催化剂研磨、压片、破碎、筛分成40～60目颗粒进行活性评价试验。试验条件：500ppm NO，500ppm NH3，5％O2，N2为平衡气，空速为30,000h-1,温度范围为100～600℃。活性评价结果如下表1所示：
从上表1可知：本发明实施例1～7制备的7种催化剂均具有更好的NO转化温度，尤其是实施例3、4、5、7制备的4种催化剂具有对NO更低的起燃温度和更大的转化温度窗口。
所述具有MFI骨架类型的分子筛为ZSM-5分子筛，所述具有CHA骨架类型的分子筛为SAPO-34分子筛、SSZ-13分子筛，具有FER骨架结构的分子筛为镁碱沸石分子筛，所述具有BEA骨架类型的分子筛为β分子筛，所述具有FAU结构的分子筛为Y分子筛，所述具有MOR结构的分子筛为丝光沸石分子筛。
上述所述分子筛还可以是选自ZSM-5分子筛、SAPO-34分子筛、SSZ-13分子筛、β分子筛中任意几种的混合物。
所述过渡金属还可以是Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种或几种的组合物。
所述过渡金属前驱体还可以是选自过渡金属的醋酸盐、硫酸盐、氯酸盐可溶性盐类中的一种或硝酸盐、醋酸盐、硫酸盐、氯化物、氯酸盐可溶性盐类中几种的混合物。
Claims (10)
1.一种选择性催化还原氮氧化物的催化剂，其特征在于：该催化剂包括分子筛和负载在所述分子筛上的过渡金属，由分子筛和过渡金属前驱体制成，其中过渡金属的质量与分子筛的质量比为0.01～0.10。
2.根据权利要求1所述的一种选择性催化还原氮氧化物的催化剂，其特征在于：所述分子筛选自具有MFI、CHA、FER、BEA、FAU、MOR骨架类型的分子筛中的一种或几种的混合物。
3.根据权利要求2所述的一种选择性催化还原氮氧化物的催化剂，其特征在于：所述具有MFI骨架类型的分子筛为ZSM-5分子筛，所述具有CHA骨架类型的分子筛为SAPO-34分子筛、SSZ-13分子筛，具有FER骨架结构的分子筛为镁碱沸石分子筛，所述具有BEA骨架类型的分子筛为β分子筛，所述具有FAU结构的分子筛为Y分子筛，所述具有MOR结构的分子筛为丝光沸石分子筛。
4.根据权利要求2～3所述的一种选择性催化还原氮氧化物的催化剂，其特征在于：所述分子筛选自ZSM-5分子筛、SAPO-34分子筛、SSZ-13分子筛、β分子筛中的一种或几种的混合物。
5.根据权利要求1～4任一项所述的一种选择性催化还原氮氧化物的催化剂，其特征在于：所述的分子筛BET比表面积≥500m2/g。
6.根据权利要求1所述的一种选择性催化还原氮氧化物的催化剂，其特征在于：所述过渡金属是Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种或几种的组合物。
7.根据权利要求6所述的一种选择性催化还原氮氧化物的催化剂，其特征在于：所述过渡金属是Mn、Fe、Cu、Zr、La、Ce中的一种或几种的组合物。
8.根据权利要求7所述的一种选择性催化还原氮氧化物的催化剂，其特征在于：所述过渡金属是Cu、Fe、Ce中的一种或几种的组合物。
9.根据权利要求1所述的一种选择性催化还原氮氧化物的催化剂，其特征在于：所述过渡金属前驱体选自过渡金属的硝酸盐、醋酸盐、硫酸盐、氯化物、氯酸盐等可溶性盐类中的一种或几种的混合物。
10.一种制备权利要求1～9任一项所述一种选择性催化还原氮氧化物的催化剂的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将分子筛在100～120℃的温度下烘干2～4小时，以除去分子筛吸附的水分；
2)将过渡金属前驱体与水混合，搅拌溶解，制得溶液，溶液的体积为步骤1)预处理后的分子筛的质量×比孔容；
3)将步骤2)制备的溶液与步骤1)预处理后的分子筛搅拌混合，置于烘箱内在100～120℃的温度下干燥2～12小时后，再放入马弗炉中，在500～550℃的煅烧温度下煅烧3～6小时；
4)将煅烧后的物料冷却至常温即得用于选择性催化还原氮氧化物的催化剂。
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