CN107376896A - 一种铈钨钛复合氧化物scr脱硝催化剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂及制备方法，所述铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂为铈钨钛复合氧化物，其中铈元素：钨元素：钛元素的摩尔比为5～30:1～20:100，铈元素中Ce4+离子：Ce3+离子的摩尔比为1:1~7。其制备方法，即首先把可溶性铈盐、可溶性钨盐及可溶性钛盐按照铈、钨、钛元素的摩尔比加入到水中溶解，得混合溶液，选择过量尿素作为沉淀剂，水浴恒温反应，促使铈、钨、钛离子沉淀完全，将得到的沉淀过滤、洗涤、干燥、焙烧，即可得到具有更优异的中低温SCR脱硝活性的铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂。且制备方法具有制备过程简单，操作方便等优点。

Description

一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂及其制备方法，属于环境催化技术领域。
背景技术
氮氧化物(NO x )是大气主要污染物之一，会造成光化学污染，造成酸雨等危害。我们通常所说的氮氧化物主要包括NO和NO2，其中NO会与血液中的血红蛋白相结合，使血液运输氧的能力下降，从而造成缺氧；另外，NO还具有致癌的危害。大气中的NO会缓慢氧化成NO2，NO2是硝酸和亚硝酸的前驱体，会形成酸雨，酸雨和光化学烟雾会引起农作物和森林大面积枯死，腐蚀建筑物；NO2进入呼吸道还会导致肺部和支气管疾病甚至造成死亡。鉴于如此危害，有效去除NO x 便成为如今环境保护的重要课题。
以NH3为还原剂的选择性催化还原脱硝法被广泛应用于脱除燃烧后烟气中NO x 的脱除，而NH3-SCR法的核心是催化剂。目前催化剂常用制备方法包括溶胶凝胶法，水热共沉淀法，分步沉淀法等；而分步沉淀法具有独特优势，分步沉淀法有扩孔的作用，催化剂活性比共沉淀法制备的催化剂有明显提高，具有更好的还原性能。分步沉淀法多用于回收废水中的铁、铜等金属资源，分离混合溶液中的离子，制备高活性催化剂等。
由于现今使用的钒基催化剂在低温时脱硝效率很低，而在高温时其活性组分V2O5具有毒性，容易造成二次污染，因此，开发一种低温活性较高，并且对环境友好的SCR脱硝催化剂成为一种不可回避的趋势。
单文坡等人基于Ce、W和Ti金属离子沉淀pH值差异，利用水热共沉淀法得到了一种铈钨钛复合氧化物催化剂，具有良好的中低温NH3-SCR脱硝性能，但仍然存在中低温活性不够高等问题。本发明专利基于Ce4+和Ce3+沉淀pH值差异，利用尿素水热法构筑了新型铈钨钛复合氧化物催化剂，该催化剂具有良好的脱硝性能。
发明内容
本发明的目的之一是为了解决上述单文坡等人利用水热共沉淀法制备的铈钨钛复合氧化物催化剂存在的中低温脱销活性不够高等技术问题而提供一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂，该催化剂具有较高的中低温脱销活性等优点。
本发明的目的之二是提供上述的一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂的制备方法。该制备方法具有制备过程简单，操作方便，过程容易控制等优点。
本发明的技术原理
与Ce3+离子相比，Ce4+离子沉淀pH比较低，其值介于2～3，和钨、钛沉淀pH值比较接近。基于Ce4+离子和Ce3+离子沉淀pH值差异，将部分三价铈源替换为四价铈源，即利用尿素水热分步沉淀促使铈钨钛复合氧化物催化剂中铈组分分步沉淀，促使催化剂表面形成Ce4+/Ce3+还原对，使铈钨钛复合氧化物催化剂具有更优异的中低温NH3-SCR脱硝性能。
本发明的技术方案
一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂，为铈钨钛复合氧化物，其中铈元素:钨元素:钛元素的摩尔比为5～30:1～20:100，优选为20:10:100，铈元素中Ce4+离子:Ce3+离子的摩尔比为1:1~7，优选为1:7。
上述的一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）、按照铈元素：钨元素：钛元素：水的摩尔比为5～30 mmol:1～20 mmol:100 mmol:150~200 ml，优选为20 mmol:10 mmol: 100 mmol:150 ml的比例，将可溶性三价铈盐、可溶性四价铈盐、可溶性钨盐及可溶性钛盐依次加入到水中，并控制Ce4+/：Ce3+离子的摩尔比为1:1~7，然后加入尿素，混合均匀，得到混合盐溶液；
所述的可溶性三价铈盐为硝酸亚铈或硫酸亚铈等可溶性三价铈盐中的任意一种；
所述的可溶性四价铈盐为硝酸铈铵或硫酸铈等可溶性四价铈盐中的任意一种；
所述的可溶性钨盐为钨酸铵或偏钨酸铵等可溶性钨盐中的任意一种；
所述的可溶性钛盐为硫酸钛、硫酸氧钛或四氯化钛等可溶性钛盐中的任意一种；
尿素的加入量，按摩尔比计算，尿素：铈元素、钨元素和钛元素的总量为3～10:1，优选为5:1；
（2）、将步骤（1）所得的混合盐溶液水浴控制温度为80~99℃，优选为90℃进行水热反应8-12h，优选为10h，得到反应液；
（3）、将步骤（2）所得的反应液过滤，所得的滤饼用去离子水进行洗涤至洗涤流出液为中性，然后控制温度为105℃干燥30 min、然后再在空气气氛条件下，在马弗炉中控制温度为550℃焙烧5 h，得到铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂。
上述所得的铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂主要用于选择性催化还原法脱除燃煤电厂烟气中的氮氧化物。
本发明的有益效果
本发明的一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂，主要基于Ce4+离子和Ce3+离子沉淀pH值差异，利用尿素水热分步沉淀将部分三价铈源替换为四价铈源，促使催化剂表面形成Ce4 +/Ce3+还原对，该催化剂在250℃~400℃具有更高的NH3-SCR脱硝活性，其在中低温时的脱硝活性与单一的Ce3+相比有很大提高。
进一步，本发明的一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂，由于采用无毒组分，不会对人体健康和生态环境造成伤害。
进一步，本发明的一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂的制备方法，以可溶性硝酸铈铵/硝酸亚铈盐、可溶性偏钨酸铵/钨酸铵及可溶性钛盐配成水溶液，并加入一定量的尿素；在一定水浴温度下水热处理一定时间，将铈、钨、钛离子沉淀完全，得到沉淀前驱物，对前驱物进行过滤、洗涤、干燥后，于一定温度煅烧活化，得到铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂，因此具有操作简单，过程容易控制等优点。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明进一步进行说明，但并不限制本发明。
实施例1
一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂，为铈钨钛复合氧化物，其中铈元素：钨元素：钛元素的摩尔比为20: 20:100，其中铈元素中Ce4+离子:Ce3+离子的摩尔比为1:7。
上述的一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）、按照铈元素：钨元素：钛元素：水的摩尔比为20 mmol:10 mmol:100 mmol:150 ml的比例，将可溶性三价铈盐、可溶性四价铈盐、可溶性钨盐及可溶性钛盐依次加入到水中，并控制Ce4+离子：Ce3+离子的摩尔比为1:7，然后加入尿素，混合均匀，得到混合盐溶液；
所述的可溶性三价铈盐为硝酸亚铈；
所述的可溶性四价铈盐为硝酸铈铵；
所述的可溶性钨盐为钨酸铵；
所述的可溶性钛盐为硫酸钛；
尿素的加入量，按摩尔比计算，按尿素：铈元素、钨元素和钛元素的总量为5:1；
（2）、将步骤（1）所得的混合盐溶液置于水浴槽中，90℃恒温条件下水热反应10h，得到反应液；
（3）、将步骤（2）所得的反应液过滤，所得的滤饼用去离子水进行洗涤至洗涤流出液为中性，然后控制温度为105℃干燥30 min、然后在空气气氛条件下，在马弗炉中控制温度为550℃焙烧5 h，得到铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂A。
实施例2
一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂，为铈钨钛复合氧化物，其中铈元素:钨元素:钛元素的摩尔比为20:10:100，其中铈元素中Ce4+离子:Ce3+离子的摩尔比为1:3。
上述的一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）、按照铈元素：钨元素：钛元素：水的摩尔比为20 mmol:10 mmol:100 mmol:150 ml的比例，将可溶性三价铈盐、可溶性四价铈盐、可溶性钨盐及可溶性钛盐依次加入到水中，并控制Ce4+离子：Ce3+离子的摩尔比为1:3，然后加入尿素，混合均匀，得到混合盐溶液；
所述的可溶性三价铈盐为硝酸亚铈；
所述的可溶性四价铈盐为硝酸铈铵；
所述的可溶性钨盐为钨酸铵；
所述的可溶性钛盐为硫酸钛；
尿素的加入量，按摩尔比计算，按尿素:铈元素、钨元素和钛元素的总量为5:1；
（2）、将步骤（1）所得的混合盐溶液置于水浴槽中，90℃恒温条件下水热反应10h，得到反应液；
（3）、将步骤（2）所得的反应液过滤，所得的滤饼用去离子水进行洗涤至洗涤流出液为中性，然后控制温度为105℃干燥30 min、然后在空气气氛条件下，在马弗炉中控制温度为550℃焙烧5h，得到铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂B。
实施例3
一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂，为铈钨钛复合氧化物，其中铈元素:钨元素:钛元素的摩尔比为20:10:100，其中铈元素中Ce4+离子:Ce3+离子的摩尔比为7.5:12.5（1:1.67）。
上述的一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）、按照铈元素：钨元素：钛元素：水的摩尔比为20 mmol:10 mmol:100 mmol:150 ml的比例，将可溶性三价铈盐、可溶性四价铈盐、可溶性钨盐及可溶性钛盐依次加入到水中，并控制Ce4+离子：Ce3+离子的摩尔比为7.5:12.5，然后加入尿素，混合均匀，得到混合盐溶液；
所述的可溶性三价铈盐为硝酸亚铈；
所述的可溶性四价铈盐为硝酸铈铵；
所述的可溶性钨盐为钨酸铵；
所述的可溶性钛盐为硫酸钛；
尿素的加入量，按摩尔比计算，按尿素:铈元素、钨元素和钛元素的总量为5:1；
（2）、将步骤（1）所得的混合盐溶液置于水浴槽中，90℃恒温条件下水热反应 10h，得到反应液；
（3）、将步骤（2）所得的反应液过滤，所得的滤饼用去离子水进行洗涤至洗涤流出液为中性，然后控制温度为105℃干燥30 min、然后在空气气氛条件下，在马弗炉中控制温度为550℃焙烧5h，得到铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂C。
实施例4
一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂，为铈钨钛复合氧化物，其中铈元素:钨元素:钛元素的摩尔比为20:10:100，其中铈元素中Ce4+离子:Ce3+离子的摩尔比为1:1。
上述的一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）、按照铈元素：钨元素：钛元素：水的摩尔比为20 mmol:10 mmol:100 mmol:150 ml的比例，将可溶性三价铈盐、可溶性四价铈盐、可溶性钨盐及可溶性钛盐依次加入到水中，并控制Ce4+离子：Ce3+离子的摩尔比为1:1，然后加入尿素，混合均匀，得到混合盐溶液；
所述的可溶性三价铈盐为硝酸亚铈；
所述的可溶性四价铈盐为硝酸铈铵；
所述的可溶性钨盐为钨酸铵；
所述的可溶性钛盐为硫酸钛；
尿素的加入量，按摩尔比计算，按尿素：铈元素、钨元素和钛元素的总量为5:1；
（2）、将步骤（1）所得的混合盐溶液置于水浴槽中，90℃恒温条件下水热反应10h，得到反应液；
（3）、将步骤（2）所得的反应液过滤，所得的滤饼用去离子水进行洗涤至洗涤流出液为中性，然后控制温度为105℃干燥30 min、然后在空气气氛条件下，在马弗炉中控制温度为550℃焙烧5h，得到铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂D。
对照实施例1
一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂，为铈钨钛复合氧化物，其中铈元素:钨元素:钛元素的摩尔比为20:10:100，其中铈元素均为Ce3+离子。
上述的一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）、按照铈元素：钨元素：钛元素：水的摩尔比为20 mmol:10 mmol:100 mmol:150 ml的比例，将可溶性三价铈盐、可溶性钨盐及可溶性钛盐依次加入到水中，然后加入尿素，混合均匀，得到混合盐溶液；
所述的可溶性三价铈盐为硝酸亚铈；
所述的可溶性钨盐为钨酸铵；
所述的可溶性钛盐为硫酸钛；
尿素的加入量，按摩尔比计算，尿素：铈元素、钨元素和钛元素的总量为5:1；
（2）、将步骤（1）所得的混合盐溶液置于水浴槽中，90℃恒温条件下水热反应 10h，得到反应液；
（3）、将步骤（2）所得的反应液过滤，所得的滤饼用去离子水进行洗涤至洗涤流出液为中性，然后控制温度为105℃干燥30 min、然后在空气气氛条件下，在马弗炉中控制温度为550℃焙烧5h，得到铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂E。
将实施例1-4和对照实施例1所得的铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂A～E，在超高空速比1,200,000 ml/(g·h)和[NO]=[NH3]=1000 ppm，在200 ℃，250 ℃，300 ℃，350℃，400 ℃，450 ℃，500 ℃的条件下，利用上海理工大学协同创新研究实验室的微型固定床反应器考察它们的NH3选择性催化还原NO x 反应活性。结果见下表1：
表1 各组催化剂在NH3-SCR中的反应活性测试结果
上表1中NO x 的转化率X NOx =(1-[NO x ]out/[NO x ]in)×100% ,其中[NO x ]=[NO]+[NO2]。
从上表1中可以看出，本发明实施例1-4所得的铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂A-D与对照实施例1所得的铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂E相比，结果表明，本发明实施例1-4所得的铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂A-D由于是基于Ce4+离子和Ce3+离子沉淀pH值差异，利用尿素水热分步沉淀构筑的A～D催化剂具有更好的中低温NH3-SCR脱硝性能；特别是实施例1所得的铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂A在超高空速比1,200,000 ml/(g·h)于250℃取得了26.4%的NO x 脱除率，而对照实施例1所得的铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂E在超高空速比1,200,000 ml/(g·h)于250℃的NO x 脱除率仅为9.8%；实施例1所得的铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂A在超高空速比1,200,000 ml/(g·h)于400℃取得了81.8%的NO x 脱除率，而对照实施例1所得的铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂E在超高空速比1,200,000 ml/(g·h)于400℃的NO x 脱除率仅为59.1%。
综上所述，本发明的一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂，基于Ce4+离子和Ce3+离子沉淀pH值差异，利用尿素水热分步沉淀将部分三价铈源替换为四价铈源，促使催化剂表面形成Ce4+/Ce3+还原对，因此其在中低温时的脱硝活性与单一的Ce3+相比有很大提高。
以上实施例仅为本发明构思下的基本说明，不对本发明进行限制。而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂，其特征在于所述的铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂为铈钨钛复合氧化物，其中铈元素：钨元素：钛元素的摩尔比为5～30:1～20:100，铈元素中Ce4+离子：Ce3+离子的摩尔比为1:1~7。
2.如权利要求1所述的一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂，其特征在于铈元素中Ce4 +离子：Ce3+离子的摩尔比为1:1.67-7。
3.如权利要求2所述的一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂，其特征在于铈元素中Ce4 +离子：Ce3+离子的摩尔比为1:1.67-3。
4.如权利要求3所述的一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂，其特征在于铈元素：钨元素：钛元素的摩尔比为20:10:100，铈元素中Ce4+离子:Ce3+离子的摩尔比为1:1.67。
5.如权利要求2所述的一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂，其特征在于铈元素中Ce4 +离子：Ce3+离子的摩尔比为1:3-7。
6.如权利要求5所述的一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂，其特征在于铈元素：钨元素：钛元素的摩尔比为20:10:100，铈元素中Ce4+离子:Ce3+离子的摩尔比为1:3。
7.如权利要求5所述的一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂，其特征在于铈元素：钨元素：钛元素的摩尔比为20:10:100，铈元素中Ce4+离子:Ce3+离子的摩尔比为1: 7。
8.如权利要求1所述的一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂的制备方法，其特征在于具体包括以下步骤：
（1）、按照铈元素：钨元素：钛元素：水的摩尔比为5～30 mmol:1～20 mmol:100 mmol:150~200 ml的比例，将可溶性三价铈盐、可溶性四价铈盐、可溶性钨盐及可溶性钛盐依次加入到水中，并控制Ce4+离子：Ce3+离子的摩尔比为1:1~7，然后加入尿素，混合均匀，得到混合盐溶液；
所述的可溶性三价铈盐为硝酸亚铈或硫酸亚铈等可溶性三价铈盐中的任意一种；
所述的可溶性四价铈盐为硝酸铈铵或硫酸铈等可溶性四价铈盐中的任意一种；
所述的可溶性钨盐为钨酸铵或偏钨酸铵等可溶性钨盐中的任意一种；
所述的可溶性钛盐为硫酸钛、硫酸氧钛或四氯化钛等可溶性钛盐中的任意一种；
尿素的加入量，按摩尔比计算，尿素：铈元素、钨元素和钛元素的总量为3～10:1；
（2）、将步骤（1）所得的混合盐溶液水浴控制温度为80~99℃，进行水热反应8-12h，得到反应液；
（3）、将步骤（2）所得的反应液过滤，所得的滤饼用去离子水进行洗涤至洗涤流出液为中性，然后控制温度为105℃干燥30 min、然后再在空气气氛条件下，在马弗炉中控制温度为550℃焙烧5 h，得到铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂。
9.如权利要求8所述的一种铈钨钛复合氧化物SCR脱硝催化剂的制备方法，其特征在于：
步骤（1）中铈元素：钨元素：钛元素：水的摩尔比为20 mmol:10 mmol: 100 mmol:150ml；
尿素的加入量，按摩尔比计算，尿素：铈元素、钨元素和钛元素的总量为5:1；
步骤（2）中水热反应温度为90℃，时间为10h。
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