CN106732579A - 用于有机废气低温催化燃烧的纳米贵金属整体催化剂及其制备方法 - Google Patents

用于有机废气低温催化燃烧的纳米贵金属整体催化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于有机废气低温催化燃烧的纳米贵金属整体催化剂及其制备方法，催化剂制备方法包括载体堇青石的预处理，涂覆液的制备以及载体涂覆和催化剂焙烧等步骤。本发明通过将催化剂涂层材料与贵金属盐溶液一起球磨并借助分散剂形成高固含量涂覆液，经一次涂覆即可得到整体催化剂，制备工艺简单，避免多层和多次涂覆，并在分散剂作用下得到高分散纳米贵金属氧化物活性组分，在保持高催化活性的同时降低了贵金属用量。制备的催化剂属于蜂窝陶瓷负载低含量纳米贵金属的整体催化剂，该催化剂能够在低温条件下实现挥发性有机物的高效催化燃烧。

Description

用于有机废气低温催化燃烧的纳米贵金属整体催化剂及其制 备方法
技术领域
本发明涉及一种催化剂，具体涉及一种用于有机废气低温催化燃烧的纳米贵金属整体催化剂及其制备方法。
背景技术
挥发性有机化合物(VOCs)不仅是大气光化学烟雾的元凶，还是形成PM2.5的重要前体，该类废气直接排入大气将对环境造成严重污染，同时危害人体健康。因此，研究有机废气处理技术十分必要。
传统的有机废气净化方法有吸附法、吸收法、冷凝法和直接燃烧法等，这类方法存在易产生二次污染、能耗大、易受有机废气的浓度和温度限制等缺点。与传统方法相比，催化燃烧法是在催化剂存在的条件下使废气中有害可燃组分完全氧化为CO2和H2O，具有起燃温度低、能耗低等显著特点，是一种主要的VOCs污染控制技术。目前催化燃烧中常用的催化剂是以蜂窝陶瓷为基体，以活性氧化铝和稀土氧化物涂层为载体，担载贵金属活性组分而成的整体催化剂，该催化剂虽然具有活性高、通量大等优点，但也存在以下不足：(1)催化剂制备工艺复杂，如专利文献20061004923.2、20101016926.0及20051003069.7所述，载体涂覆与活性组分涂覆分开，需要经过涂覆、干燥、焙烧、贵金属浸渍、再干燥、再焙烧，不仅制备工艺复杂，而且贵金属浸渍量不容易控制，活性组分分布不均匀；(2)催化剂活性不够高，挥发性有机物的完全转化需要的温度偏高，如20101016926.0及20121030265.0中报道的甲苯废气的转化温度都300度左右，在废气处理过程中需要消耗大量的能源；(3)催化剂稳定性不高，由于一般采用先涂覆涂层再浸渍贵金属的工艺，在干燥过程中，贵金属随着毛细作用聚集到表面，从而导致活性组分易烧结，寿命短。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种制备工艺简单，贵金属负载量低且稳定性高的蜂窝陶瓷负载纳米贵金属整体催化剂，该催化剂在低温条件下即能实现挥发性有机物的高效催化燃烧。本发明另外还提供了上述催化剂的制备方法。
本发明采取的技术方案如下：
1.用于有机废气低温催化燃烧的纳米贵金属整体催化剂，制备方法包括以下步骤：
(1)堇青石用酸溶液浸泡处理，获得表面粗糙的堇青石；
(2)将水、活性氧化铝、铈锆氧化物和稀土氧化物按55～70：30～19：14～9：1～2的重量比混合，并加入涂层重量0.1～1％的分散剂，球磨2-3h后加入贵金属盐溶液继续球磨1-2h得到涂覆液；
(3)将步骤(1)得到的表面粗糙的堇青石浸于步骤(2)所述涂覆液中，真空条件下浸涂15～30min，用压缩空气吹除多余涂覆液后在110～120℃条件下烘干，最后500～600℃条件下焙烧2～3h即得。
优选的，所述步骤(1)中所述酸溶液为质量分数20％的稀硝酸溶液。
优选的，所述贵金属盐溶液为Pt、Pd的硝酸盐溶液或盐酸盐溶液。
优选的，所述活性氧化铝为γ-氧化铝。
优选的，铈锆氧化物中氧化铈与氧化锆的重量比为3:7～7:3。
优选的，所述稀土氧化物为铌的氧化物、镧的氧化物、镨的氧化物、钐的氧化物中的一种或多种。
优选的，所述分散剂为非离子表面活性剂。
优选的，所述分散剂为Tween-20、Span-80、OP-10、聚乙烯醇或聚乙二醇。
优选的，所述贵金属为Pt或Pd，贵金属盐溶液采用硝酸盐溶液，催化剂贵金属的负载量为0.1～0.4g/L。
2.催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)堇青石用酸溶液浸泡处理，获得表面粗糙的堇青石；
(2)将水、活性氧化铝、铈锆氧化物和稀土氧化物按55～70：30～19：14～9：1～2的重量比混合，并加入涂层重量0.1～1％的分散剂，球磨2-3h后加入贵金属盐溶液继续球磨1-2h得到涂覆液；
(3)将步骤(1)得到的表面粗糙的堇青石浸于步骤(2)所述涂覆液中，真空条件下浸涂15～30min，用压缩空气吹除多余涂覆液后在110～120℃条件下烘干，最后500～600℃条件下焙烧2～3h即得。
本发明的有益效果在于：
本发明通过将催化剂涂层材料与贵金属盐溶液一起球磨并借助分散剂形成高固含量涂覆液，经一次涂覆即可得到整体催化剂，制备工艺简单，避免多层和多次涂覆，并在分散剂作用下得到高分散纳米贵金属氧化物活性组分，在保持高催化活性的同时降低了贵金属用量。制备的催化剂属于蜂窝陶瓷负载低含量纳米贵金属的整体催化剂，该催化剂能够在低温条件下实现挥发性有机物的高效催化燃烧。
具体实施方式
实施例1
催化剂的制备方法包括如下步骤：
(1)取400目堇青石蜂窝陶瓷，切成φ20×60的近似圆柱体，浸入质量分数20％稀硝酸溶液中煮沸2小时，然后用蒸馏水冲洗，110℃烘干后备用；
(2)取氧化铝6g、含锆质量分数60％的铈锆氧化物4.0g混合，加入20ml去离子水和0.2ml Tween-20，量取含Pd为17.67g/ml的Pd(NO3)2溶液0.1ml，用硝酸调节pH达到4左右，放入球磨机中球磨4h制得涂覆液；
(3)取步骤(1)处理过的堇青石蜂窝陶瓷，真空条件下在涂覆液中浸涂20min后取出，用压缩空气吹除多余的涂覆液，在110℃干燥2h，再在马弗炉中550℃煅烧2h，得到蜂窝陶瓷负载纳米贵金属整体催化剂，Pd的负载量为0.2g/L，涂覆量为110g/L。
活性测试：
用上述方法得到的蜂窝陶瓷负载纳米Pd为催化剂，以空气与甲苯的混合气为模拟有机废气，进行了有机废气的催化燃烧性能评价，在空速15000h-1、甲苯浓度2000mg/m3的条件下，其完全转化温度为235℃。
实施例2
催化剂的制备方法包括如下步骤：
(1)堇青石蜂窝陶瓷处理同实施例1；
(2)取氧化铝6g、含锆质量分数60％的铈锆氧化物3.6g以及氧化镨0.4g混合，加入20ml去离子水、0.2ml Tween-20，量取含Pd为17.67g/ml的Pd(NO3)2溶液0.1ml，用硝酸调节pH达到4左右，放入球磨机中球磨4h制得涂覆液；
(3)按实施例1的方法进行涂覆、干燥、焙烧，得到Pd的负载量为0.2g/L，涂覆量为110g/L的蜂窝陶瓷负载纳米贵金属整体催化剂。
活性测试：
催化剂性能评价方法同实施例1，其完全转化温度为224℃。
实施例3
催化剂的制备方法包括如下步骤：
(1)堇青石蜂窝陶瓷处理同实施例1；
(2)取镧掺杂的氧化铝6g、含锆质量分数60％的铈锆氧化物3.6g、氧化镧0.2g和氧化铌0.2g混合，加入20ml去离子水、0.2ml Tween-20，量取含Pd为17.67g/ml的Pd(NO3)2溶液0.1ml，用硝酸调节pH达到4左右，放入球磨机中球磨4h制得涂覆液；
(3)按实施例1的方法进行涂覆、干燥、焙烧，得到Pd的负载量为0.2g/L，涂覆量为110g/L的蜂窝陶瓷负载纳米贵金属整体催化剂。
活性测试：
催化剂性能评价方法同实施例1，其完全转化温度为209℃。
需要说明的是，在步骤(2)中，水、活性氧化铝、铈锆氧化物和稀土氧化物可按55～70：30～19：14～9：1～2之间的任一重量比混合，分散剂加入量为涂层重量的0.1～1％之间的任一数值，加入的贵金属盐溶液为Pt、Pd的硝酸盐溶液或盐酸盐溶液，催化剂贵金属的负载量为0.1～0.4g/L之间的任一数值，活性氧化铝优选γ-氧化铝，铈锆氧化物中氧化铈与氧化锆的重量比为3:7～7:3之间的任一比值，所述稀土氧化物为铌的氧化物、镧的氧化物、镨的氧化物、钐的氧化物中的一种或多种，分散剂优选为非离子表面活性剂，比如可以为Tween-20、Span-80、OP-10、聚乙烯醇或聚乙二醇。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.用于有机废气低温催化燃烧的纳米贵金属整体催化剂，其特征在于，制备方法包括以下步骤：
(1)堇青石用酸溶液浸泡处理，获得表面粗糙的堇青石；
(2)将水、活性氧化铝、铈锆氧化物和稀土氧化物按55～70：30～19：14～9：1～2的重量比混合，并加入涂层重量0.1～1％的分散剂，球磨2-3h后加入贵金属盐溶液继续球磨1-2h得到涂覆液；
(3)将步骤(1)得到的表面粗糙的堇青石浸于步骤(2)所述涂覆液中，真空条件下浸涂15～30min，用压缩空气吹除多余涂覆液后在110～120℃条件下烘干，最后500～600℃条件下焙烧2～3h即得。
2.根据权利要求1所述的用于有机废气低温催化燃烧的纳米贵金属整体催化剂，其特征在于，所述步骤(1)中所述酸溶液为质量分数20％的稀硝酸溶液。
3.根据权利要求1所述的用于有机废气低温催化燃烧的纳米贵金属整体催化剂，其特征在于，所述贵金属盐溶液为Pt、Pd的硝酸盐溶液或盐酸盐溶液。
4.根据权利要求1所述的用于有机废气低温催化燃烧的纳米贵金属整体催化剂，其特征在于，所述活性氧化铝为γ-氧化铝。
5.根据权利要求1所述的用于有机废气低温催化燃烧的纳米贵金属整体催化剂，其特征在于，铈锆氧化物中氧化铈与氧化锆的重量比为3:7～7:3。
6.根据权利要求1所述的用于有机废气低温催化燃烧的纳米贵金属整体催化剂，其特征在于，所述稀土氧化物为铌的氧化物、镧的氧化物、镨的氧化物、钐的氧化物中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的用于有机废气低温催化燃烧的纳米贵金属整体催化剂，其特征在于，所述分散剂为非离子表面活性剂。
8.根据权利要求7所述的用于有机废气低温催化燃烧的纳米贵金属整体催化剂，其特征在于，所述分散剂为Tween-20、Span-80、OP-10、聚乙烯醇或聚乙二醇。
9.根据权利要求1所述的用于有机废气低温催化燃烧的纳米贵金属整体催化剂，其特征在于，所述贵金属为Pt或Pd，贵金属盐溶液采用硝酸盐溶液，催化剂贵金属的负载量为0.1～0.4g/L。
10.权利要求1～9任一项所述催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)堇青石用酸溶液浸泡处理，获得表面粗糙的堇青石；
(2)将水、活性氧化铝、铈锆氧化物和稀土氧化物按55～70：30～19：14～9：1～2的重量比混合，并加入涂层重量0.1～1％的分散剂，球磨2-3h后加入贵金属盐溶液继续球磨1-2h得到涂覆液；
(3)将步骤(1)得到的表面粗糙的堇青石浸于步骤(2)所述涂覆液中，真空条件下浸涂15～30min，用压缩空气吹除多余涂覆液后在110～120℃条件下烘干，最后500～600℃条件下焙烧2～3h即得。
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