CN106731226B - 一步原位合成法制备二元脱硝抗硫催化剂负载滤料的方法 - Google Patents

一步原位合成法制备二元脱硝抗硫催化剂负载滤料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种一步原位合成法制备二元脱硝抗硫催化剂负载滤料的方法，以浓硝酸处理的聚苯硫醚滤料为催化剂载体，高锰酸钾和七水合三氯化铈为催化剂前驱体，以去离子水为溶剂，通过原位聚合法制得二元脱硝抗硫催化剂负载滤料。该负载滤料可同时作为除尘剂和脱硝抗硫剂应用，催化剂的负载量大于5mg/cm2时可获得较好的脱硝抗硫性能。

Description

一步原位合成法制备二元脱硝抗硫催化剂负载滤料的方法
技术领域
本发明属于功能性复合滤料技术领域，特别涉及到一步原位合成法制备二元脱硝抗硫催化剂负载滤料的方法。
背景技术
大气中的NOX以及工业排放的尾气中包括的固体颗粒物和有毒气体，不仅对环境产生了很大的影响，而且对于人们的日常生活，身体健康产生了不可恢复性的影响。各国相继颁布了法律法规，严格控制燃煤电厂氮氧化物的排放，火电厂大气污染物排放标准( GB13223-2011) 中规定， 氮氧化物的排放限值为100 mg /m3，所以尽可能的脱除尾气中的NOx势在必行，研究工作大量进行，并且取得了很大的进展。
我国许多研究者报道了烟气多种污染物一体化控制技术目前，世界上研究开发的烟气净化一体化技术按脱除机理可分为两大类，即联合脱除技术( combined removaltechnology) 和同时脱除技术( simultaneous removal technology) 其中，联合脱除技术主要是指联合SCＲ/SNCＲ多脱技术，其建立在SCＲ /SNCＲ技术脱除NOx 的基础上，结合各种脱硫技术。SCR是脱氮效率最高、最为成熟的脱氮技术。SCR法是在特定催化剂作用下,用氨或其它还原剂选择性的将NOx 还原为N2和H2O的方法。由于其具有高效性和实用性,现已成为脱氮领域的研究热点。
聚苯硫醚（PPS）滤料是目前电厂燃煤锅炉和垃圾焚烧滤袋上的首选材料，因其具有耐高温、抗水解、高阻燃、耐酸碱的优异性能。然而，商用脱硝抗硫催化剂的温度窗口在300-400℃的高温区域，远高于聚苯硫醚滤料的使用温度（170℃左右）。另外，聚苯硫醚惰性的分子结构也使其表面很难固定住催化剂颗粒。因此，研究和开发低温高效的二元脱硝抗硫催化剂及其与滤料的复合技术成为的研究重点。
已商业化的钒钛体系催化剂起活温度高（>300℃），难以在烟气处理系统末端应用，且安装运行费用较高。因此，经济性高且适用于末端处理的低温SCR技术成为研究人员关注的热点。无载体MnOx-CeO2催化剂是目前此类报道中低温SCR活性最高的，温度在120℃时NOx可几乎完全转化为N2，但还没有合适的技术将其成功的应用于滤料上。
发明内容
本发明的目的是要制备将高效的脱硝抗硫二元催化剂与聚苯硫醚（PPS）相结合的方法，通过原位聚合的方式，一步法生长到聚苯硫醚（PPS）表面，由于原位聚合的方法，使MnOx-CeO2催化剂在PPS表面负载均匀牢固。
本发明采用的技术方案是：
以浓硝酸处理的聚苯硫醚滤料为催化剂载体，高锰酸钾和七水合三氯化铈为催化剂前驱体，以去离子水为溶剂，通过原位聚合法制得二元脱硝抗硫催化剂负载滤料。
所述的滤料为聚苯硫醚针刺滤料，是以聚苯硫醚纤维为原料，经开松、复合混料、梳理、铺网、针刺、热定型和烧毛压光制备而成。
具体制备步骤如下：
（1）将聚苯硫醚（PPS）加入到30%的浓硝酸加入烧瓶中，并放入搅拌子，80℃加热搅拌1小时。然后用去离子水和乙醇清洗处理过后的PPS，洗至中性（PH=6~7），在真空干燥箱中100℃左右干燥1-2h，烘干备用。
（2）取出烘干后的聚苯硫醚（PPS）并称重，同时以去离子水为溶剂，配制一定质量分数氯化铈溶液。然后将聚苯硫醚（PPS）放入该溶液中，并常温下搅拌12h，使聚苯硫醚（PPS）表面负载足够多的Ce2+。
（3）配置KMnO4溶液，以2滴/s的速度加入步骤（2）中已经负载了Ce2+ 的PPS中，在80℃的水浴锅中搅拌反应10h，反应后取出反应完的PPS，用去离子水和乙醇清洗其表面，直至将其表面的溶剂清洗干净，之后再102℃的烘箱中干燥，即制得表面具有二元高效脱硝抗硫复合抗硫的催化剂的聚苯硫醚（PPS）。
按质量比计，聚苯硫醚：高锰酸钾=1:0.2~0.8。
按质量比计，聚苯硫醚滤料：高锰酸钾=1:0.6，此为最佳比例，脱硝率最高。
步骤（3）氯化铈的浓度为0.02～0.06M。
步骤（4）高锰酸钾溶液的浓度为0.02~0.06M。
按摩尔比计，氯化铈：高锰酸钾=1:1。
该复合滤料可同时作为除尘剂和脱硝抗硫剂应用，催化剂的负载量大于5mg/cm2时都可获得较好的脱硝抗硫性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、比起一元以Mn基为主的脱销滤料，SO2会毒化MnOx从而形成MnSO4，此时催化剂变性失活，导致了滤料的脱销率大大下降，甚至几乎失去脱硝抗硫性能，本法由于加了稀土元素Ce，因此使其具有比单组分催化剂更好的抗硫性能；
2、本发明利用浓硝酸预处理聚苯硫醚滤料，使其表面获得较多的活性含氧官能团，如羟基，羧基，由于这些含氧官能团的存在使得原本惰性的聚苯硫醚表面得以活化，有利于铈离子的吸附；
3、合成在温和的环境中进行，反应合成方法和操作都很简单，并且其反应快速，对反应容器没有具体要求，并且合成物质对环境没有污染，合成后的滤料表面负载量均匀且牢固，脱销率高；
4、合成过程中产生的催化剂可以回收使用，环保高效。
附图说明
图1催化剂活性测试中，自制管式SCR反应器装置图。图中，1为汽源；2为减压阀；3为质量流量计；4为混合器；5为空气预热器；6为催化床；7为滤料；8为烟气分析仪；图2 为PPS与KMnO4质量比=1:0.4的扫描电镜图。
具体实施方式
以下是本发明的几个具体实施例，进一步说明本发明，但是本发明不仅限于此。
下列实施例中的聚苯硫醚滤料按以下方法制备得到：以聚苯硫醚(PPS)纤维为原料，经开松、复合混料、梳理、铺网、针刺、热定型和烧毛压光制备得到针刺毡滤料。
实施例 1
首先称取32ml浓硝酸加入68ml的去离子水中，配成30%的稀硝酸溶液。然后放入0.753g的PPS，在80℃的水浴锅中处理1h，处理完之后用去离子水和乙醇清洗PPS，洗至中性（PH=6~7），在真空干燥箱中100℃左右干燥1-2h，烘干备用。
往量有50ml去离子水的烧杯中加入七水合三氯化铈0.3545g，搅拌均匀，再将所配溶液超声或摇晃至溶质完全溶解；再向氯化铈溶液加入PPS，然后放置于室温下搅拌12h，待PPS表面吸附足够多的Ce2+的阳离子之后，移入水浴锅中，此时再配置浓度为0.02M的高锰酸钾溶液（按质量比计，聚苯硫醚：高锰酸钾=1：0.2），将制得的溶液缓慢以2滴/s的速度加入倒入放有聚苯硫醚(PPS)的烧杯中，80℃下反应10h，直至溶液由粉色变为澄清，此时表明反应结束，取出滤料用去离子水和乙醇清洗至无溶剂残留，放于烘箱中102℃干燥3h待测试。氯化铈的质量计算如下：0.753×0.2÷158×372=0.3545g；（即聚苯硫醚的质量乘以0.2的比例再除以高锰酸钾的相对分子质量再乘以氯化铈的相对分子质量既得氯化铈的质量）；高锰酸钾的浓度计算如下：0.753×0.2÷158÷0.05=0.02。（即聚苯硫醚的质量乘以0.2的比例在除以高锰酸钾的相对摩尔质量再除以总容积50毫升既得高锰酸钾的浓度）
复合滤料的脱硝抗硫性能在自制管式SCR反应器中进行评价。NO和NH3体积分数均为0.05 %，O2体积分数为5 %，其余为N2，气体流速为700mL·min-1，温度设置为140℃，用英国KM940烟气分析仪测得脱硝率为88%；温度设置为160℃，脱硝率为98%，温度设置为180℃，脱硝抗硫率为100%；180℃时通入SO2间隔30min测试，最后脱销率基本稳定于42%。
实施例2
首先称取32ml浓硝酸加入68ml的去离子水中，配成30%的稀硝酸溶液。然后放入0.6249gPPS，在80℃的水浴锅中处理1h，处理完之后用去离子水和乙醇清洗PPS，洗至中性（PH=6~7），在真空干燥箱中100℃左右干燥1-2h，烘干备用。
往量有50ml去离子水的烧杯中加入七水合三氯化铈0.5886g，搅拌均匀，再将所配溶液超声或摇晃至溶质完全溶解；再向氯化铈溶液加入PPS，然后放置于室温下搅拌12h，待PPS表面吸附足够多的Ce2+的阳离子之后，移入水浴锅中，此时再配置浓度为0.03M的高锰酸钾溶液（按质量比计，聚苯硫醚：高锰酸钾=1：0.4），将制得的溶液缓慢倒入放有聚苯硫醚(PPS)的烧杯中，80℃下反应10h，直至溶液由粉色变为澄清，此时表明反应结束，取出滤料用去离子水和乙醇清洗至无溶剂残留，放于烘箱中102℃干燥3h待测试。氯化铈的质量计算如下：0.6249×0.4÷158×372=0.5886g;高锰酸钾的浓度计算如下：0.6249×0.4÷158÷0.05=0.03。（即聚苯硫醚的质量乘以0.4的比例再除以高锰酸钾的相对分子质量再乘以氯化铈的相对分子质量既得氯化铈的质量）；高锰酸钾的浓度计算如下：0.6249×0.4÷158÷0.05=0.03（即聚苯硫醚的质量乘以0.4的比例在除以高锰酸钾的相对摩尔质量再除以总容积50毫升既得高锰酸钾的浓度）。
复合滤料的脱硝抗硫性能在自制管式SCR反应器中进行评价。NO和NH3体积分数均为0.05 %，O2体积分数为5 %，其余为N2，气体流速为700mL·min-1，温度设置为140℃，用英国KM940烟气分析仪测得脱硝率为90%；温度设置为160℃，脱硝率为100%；180℃时通入SO2间隔30min测试，最后脱销率基本稳定于49%。
实施例3
首先称取32ml浓硝酸加入68ml的去离子水中，配成30%的稀硝酸溶液。然后放入0.6830gPPS，在80℃的水浴锅中处理1h，处理完之后用去离子水和乙醇清洗PPS，洗至中性（PH=6~7），在真空干燥箱中100℃左右干燥1-2h，烘干备用。
往量有50ml去离子水的烧杯中加入七水三合氯化铈0.90416g，搅拌均匀，再将所配溶液超声或摇晃至溶质完全溶解；再向氯化铈溶液加入PPS，然后放置于室温下搅拌12h，待PPS表面吸附足够多的Ce2+的阳离子之后，移入水浴锅中，此时再配置浓度为0.05M的高锰酸钾溶液（按质量比计，聚苯硫醚：高锰酸钾=1：0.6），将制得的溶液缓慢倒入放有聚苯硫醚(PPS)的烧杯中，80℃下反应10h，直至溶液由粉色变为澄清，此时表明反应结束，取出滤料用去离子水和乙醇清洗至无溶剂残留，放于烘箱中102℃干燥3h待测试。氯化铈的质量计算如下：0.6830×0.6÷158×372=0.9041g;高锰酸钾的浓度计算如下：0.6830×0.6÷158÷0.05=0.05。（即聚苯硫醚的质量乘以0.6的比例再除以高锰酸钾的相对分子质量再乘以氯化铈的相对分子质量既得氯化铈的质量）；高锰酸钾的浓度计算如下：0.6830×0.6÷158÷0.05=0.05（即聚苯硫醚的质量乘以0.6的比例在除以高锰酸钾的相对摩尔质量再除以总容积50毫升既得高锰酸钾的浓度）。
复合滤料的脱硝抗硫性能在自制管式SCR反应器中进行评价。NO和NH3体积分数均为0.05 %，O2体积分数为5 %，其余为N2，气体流速为700mL·min-1，温度设置为140℃，用英国KM940烟气分析仪测得脱硝率为85%；温度设置为160℃，脱硝率为100%；180℃时通入SO2间隔30min测试，最后脱销率基本稳定于38%。
实施例4
首先称取32ml浓硝酸加入68ml的去离子水中，配成30%的稀硝酸溶液。然后放入0.6588gPPS，在80℃的水浴锅中处理1h，处理完之后用去离子水和乙醇清洗PPS，洗至中性（PH=6~7），在真空干燥箱中100℃左右干燥1-2h，烘干备用。
往量有50ml去离子水的烧杯中加入七水三合氯化铈1.240g，搅拌均匀，再将所配溶液超声或摇晃至溶质完全溶解；再向氯化铈溶液加入PPS，然后放置于室温下搅拌12h，待PPS表面吸附足够多的Ce2+的阳离子之后，移入水浴锅中，此时再配置浓度为0.06M的高锰酸钾溶液（按质量比计，聚苯硫醚：高锰酸钾=1：0.8），将制得的溶液缓慢倒入放有聚苯硫醚(PPS)的烧杯中，80℃下反应10h，直至溶液由粉色变为澄清，此时表明反应结束，取出滤料用去离子水和乙醇清洗至无溶剂残留，放于烘箱中102℃干燥3h待测试。氯化铈的质量计算如下：0.6588×0.4÷158×372=1.240g；高锰酸钾的浓度计算如下：0.6588×0.8÷158÷0.05=0.06。（即聚苯硫醚的质量乘以0.8的比例再除以高锰酸钾的相对分子质量再乘以氯化铈的相对分子质量既得氯化铈的质量）；高锰酸钾的浓度计算如下：0.6588×0.8÷158÷0.05=0.06（即聚苯硫醚的质量乘以0.8的比例在除以高锰酸钾的相对摩尔质量再除以总容积50毫升既得高锰酸钾的浓度）。
复合滤料的脱硝抗硫性能在自制管式SCR反应器中进行评价。NO和NH3体积分数均为0.05 %，O2体积分数为5 %，其余为N2，气体流速为700mL·min-1，温度设置为140℃，用英国KM940烟气分析仪测得脱硝率为83%；温度设置为160℃，脱硝率为100%；180℃时通入SO2间隔30min测试，最后脱销率基本稳定于40%。
活性评价：催化剂在自制管式SCR反应器中进行评价。反应器为外部电加热, 反应管催化剂床层旁放置热电偶测量温度，实验装置流程如图1所示。以钢气瓶模拟烟气组成,烟气中包括NO、O2、N2、NH3为还原气体，NO和NH3体积分数均为0.04－0.06%，O2体积分数为4－6%，其余为N2，气体流速为700mL·min-1,温度控制在120－200℃间，气体流量、组成由质量流量计调节和控制。气体分析采用英国KM940烟气分析仪，为了保证数据的稳定性和准确性，每个工况至少稳定30min。
表1各种因素对复合滤料脱硝抗硫率的影响（反应温度为180℃）：
从表1数据可以看出，在140℃的时候，随着质量比的不断增加，脱硝抗硫率随着出现了先增加后减少的趋势，在1:0.6出出现了最大值。并且到了160℃，基本都达到了100%的脱硝抗硫率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一步原位合成法制备二元脱硝抗硫催化剂负载滤料的方法，其特征在于：以稀硝酸处理的聚苯硫醚滤料为催化剂载体，高锰酸钾和七水合三氯化铈为催化剂前驱体，以去离子水为溶剂，通过原位聚合法制得二元脱硝抗硫催化剂负载滤料；所述的聚苯硫醚滤料，是以聚苯硫醚纤维为原料，经开松、复合混料、梳理、铺网、针刺、热定型和烧毛压光制备而成；具体制备步骤如下：
（1）称取32ml浓硝酸加入68ml的去离子水中，配成30%的稀硝酸溶液；
（2）将聚苯硫醚滤料加入到步骤（1）得到的稀硝酸，80℃加热搅拌1小时，然后用去离子水和乙醇清洗处理过后的聚苯硫醚滤料，洗至PH=6~7，在真空干燥箱中100℃干燥1-2h，烘干备用；
（3）以去离子水为溶剂，配制氯化铈溶液，然后将聚苯硫醚滤料放入氯化铈溶液，并常温下搅拌12h；
（4）以去离子水为溶剂，配置高锰酸钾溶液，用胶头滴管以2滴/s的速度滴加入步骤（2）溶液，在80℃的水浴锅中搅拌反应10h，反应后取出反应完的聚苯硫醚滤料，用去离子水和乙醇清洗其表面，置于102℃的烘箱中干燥。
2.根据权利要求1所述的一步原位合成法制备二元脱硝抗硫催化剂负载滤料的方法，其特征在于：按质量比计，聚苯硫醚滤料：高锰酸钾=1:0.2~0.8。
3.根据权利要求2所述的一步原位合成法制备二元脱硝抗硫催化剂负载滤料的方法，其特征在于：按质量比计，聚苯硫醚滤料：高锰酸钾=1:0.6。
4.根据权利要求1所述的一步原位合成法制备二元脱硝抗硫催化剂负载滤料的方法，其特征在于：步骤（3）氯化铈的浓度为0.02～0.06M。
5.根据权利要求1所述的一步原位合成法制备二元脱硝抗硫催化剂负载滤料的方法，其特征在于：步骤（4）高锰酸钾溶液的浓度为0.02~0.06M。
6.根据权利要求1所述的一步原位合成法制备二元脱硝抗硫催化剂负载滤料的方法，其特征在于：按摩尔比计，氯化铈：高锰酸钾=1:1。
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