CN107456981B - 一种废气脱硝复合催化剂及其制备方法 - Google Patents

一种废气脱硝复合催化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种废气脱硝复合催化剂及其制备方法，由钙钛矿型催化剂、助催化剂和催化剂载体组成；所述的钙钛矿型催化剂通式为ABO3，其A位上是稀土金属La和Y的混合物，B位上是过渡金属Cr、Mn、Fe和Co之一或其混合物；助催化剂是SeO2、TeO2和PtO2之一或其混合物，能防止钙钛矿型催化剂ABO3中氧原子为废气中硫原子替换引起的失活；所述的催化剂载体是TiO2、ZrO2、SiO2、SnO2、Al2O3、沸石和堇青石之一。用其10g装填在固定床催化反应器中，在300℃下处理挥发性有机物燃烧产生的含NO废气，NO的清除率为92.9%‑95.8%。本发明复合催化剂耐水分和抗硫污染性能好，使用寿命长，运行成本低。

Description

一种废气脱硝复合催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种废气脱硝复合催化剂及其制备方法，属于环保和新材料领域。
背景技术
根据北京市PM2.5来源解析最新研究成果，北京市全年PM2.5来源中，区域传输“贡献”约占28%～36%，本地污染排放“贡献”占64%～72%。在本地污染“贡献”中，机动车排放(31.1%)、燃煤(22.4%)、工业生产(18.1%)的比重占据前三位。其中，机动车除了直接排放PM2.5外，还释放PM2.5中二次气溶胶的“原材料”和“催化剂”。
据2015年全国环境监测工作现场会透露，机动车、工业生产、燃煤、扬尘等是当前我国大部分城市环境空气中颗粒物的主要污染来源，约占85%-90%。其中北京、杭州、广州、深圳城市的首要污染来源是机动车。即使大气污染物排放浓度达到控制排放标准，但大气污染物的排放总量仍然很大。目前主要是采取堵截和限制排放措施，更需要研究开发专门技术从源头上治理，减少大气污染物的排放总量。
大气中氧化氮对二氧化硫的吸收转换具有催化和协同作用，加强废气中脱硝技术研发，使氧化氮污染物在未排入大气之前就转化为氮气是当前治理雾霾的重要措施。近年来已公开了一系列采用钙钛矿催化剂脱除氧化氮、同时脱除氮和硫的氧化物、同时脱除氧化氮和烟碳颗粒物、同时脱除氧化氮、CO和有机物的发明专利。例如，西南化工研究设计院有限公司 在中国专利CN106492791A （2017-03-15）中公开一种中低温脱硝催化剂及其制备方法 ，催化剂包括超细二氧化钛、锶掺杂铈锰钙钛矿型复合氧化物、五氧化二钒、三氧化钨、三氧化钼和氧化锡；包头稀土研究院在中国专利 CN106423176A （2017-02-22） 中公开了柴油车尾气净化的负载型稀土钙钛矿催化剂及制备方法， 采用的催化剂活性组分为LaCoO3，催化剂载体为SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO2、CeO2、Ce0.9Zr0.1O2、Ce0.9Re0.1O2中的一种或两种；中南大学在中国专利 CN106268296A（2017-01-04）中公开了一种掺杂的镧基钙钛矿型复合氧化物催化还原同时脱硫脱硝的烟气处理方法； 上海净球环保科技有限公司 在中国专利CN106111117A（ 2016-11-16）中公开一种用于处理柴油机尾气NOX的SCR催化剂及其制备方法，将钙钛矿结构物质、钛钨粉和铝胶混合，加入聚乙烯醇与去离子水进行搅拌，在高速剪切乳化条件下进行制备涂层胶体；上海纳米技术及应用国家工程研究中心在中国专利CN105289639A（2016-02-03）中公开一种钴负载镧锰钙钛矿型一氧化氮氧化催化剂及制备方法，以稀土金属铈掺杂镧锰钙钛矿作为活性组分和载体，并加入另一活性组分钴；上海郎特电力环保科技有限公司 在中国专利CN103861581A（2014-06-18） 中公开了 钙钛矿型物质La1-xSrxCrO3、火电厂脱硝复合催化剂及其制备方法；中国科学院福建物质结构研究所在中国发明专利 CN103599789A （2014-02-26） 中公开了用于氮氧化物选择性催化还原的钙钛矿型催化剂，采用的钙钛矿型催化剂通式为ABO3，其A位上是金属La，B位为Ni,Fe,中的一种或两种组合； 通用汽车环球科技运作有限责任公司在中国专利 CN102614780A（2012-08-01）中公开耐硫钙钛矿NOx氧化催化剂，催化剂通式为ABO3，其中“A”和“B”分别是一种或多种元素的阳离子，所述钙钛矿包含，一种或多种选自Tm、Hg、Na、Yb、Ca、Pr、Nd、Pm、Sm、Cd、Ag、Tb、Ho、Y、Er、Lu、Pd、Ti、Cr、In、Pt、V、Li、Sb、Sc、Sc、Cu、Mg、Nb、Ta、Mo、Ru和Mn的A阳离子；和一种或多种选自Ge、Se、Tm、Ga和I的“B”阳离子；天津大学在中国专利 CN102000582A（2011-04-06）和CN101845306A （2010-09-29）中公开了抗硫钙钛矿催化剂的制备方法及应用，将La、Sr和Co的硝酸盐混合后，用柠檬酸和EDTA为络合剂，调节pH为4-5成溶胶后干燥焙烧制得钙钛矿样品，进行研磨筛选得到催化剂。
常用的NOx 的消除技术包括NOx 选择性催化还原技术 ( SCＲ) 、NOx 储存还原技术( NSＲ)和NOx直接分解技术，虽然都已在工业生产和机动车上商业化应用，仍存在对NOx治理不彻底和运行成本过高的问题。例如，广泛应用的氨还原NOx 选择性催化还原技术是用过量氨气将氧化氮催化还原为氮气排放，实际应用中存在大量氨气泄漏排放，与大气中NO和SO2反应形成铵盐，只是表面上解决了氧化氮尾气达标排放问题，同时又提供了生成PM2.5的原料。钙钛矿催化剂仍存在耐硫耐水性能差、使用寿命短和运行成本高的问题，需要对钙钛矿型脱硝催化剂进行优化改进，使钙钛矿脱硝催化剂的应用潜能充分发挥。
发明内容
本发明的目的是提供一种废气脱硝复合催化剂，由钙钛矿型催化剂、助催化剂和催化剂载体组成，所述的钙钛矿型催化剂通式为ABO3，其A位上是稀土金属La和Y的混合物，B位上是过渡金属Cr、Mn、Fe和Co之一或其混合物；助催化剂是SeO2、TeO2和PtO2之一或其混合物；所述的催化剂载体是TiO2、ZrO2、SiO2、SnO2、Al2O3、沸石和堇青石的粉体之一或加工成型的蜂窝体。
本发明废气脱硝复合催化剂的质量百分比组成为：
钙钛矿型催化剂 3%-10%
助催化剂 1%-5%
催化剂载体 80%-95%
本发明废气脱硝复合催化剂中助催化剂是负载在催化剂载体上的纳米SeO2、TeO2和PtO2之一或其混合物，由其可溶性盐水解沉淀和热分解形成。主要作用是提高钙钛矿型催化剂的耐硫性能，其作用原理是能防止钙钛矿型催化剂ABO3中氧原子为废气中硫原子替换引起的失活。另一个功能是催化氧化NO废气，使部分NO转化为NO2，提高氧化氮废气的氧化度，以利于氧化氮废气后续的还原分解。
本发明废气脱硝复合催化剂中钙钛矿型催化剂负载在含纳米SeO2、TeO2和PtO2之一或其混合物的催化剂载体上，化学组成为LaxY1-xBO3，x=0.5-0.9，由镧、钇和过渡金属Cr、Mn、Fe和Co盐溶胶之一或其混合物热化学反应形成。纳米SeO2、TeO2或PtO2以及高比表面积的催化剂载体，具有良好的氧化氮吸附和贮存能力，从而克服了钙钛矿催化剂比表面积不够大的缺陷，显著提高了其对氧化氮的催化还原能力。
本发明废气脱硝复合催化剂中催化剂载体是比表面积为100-300m2/g的TiO2、ZrO2、SiO2、SnO2、Al2O3、沸石和堇青石粉体之一以及加工成型的蜂窝体。选用的催化剂载体具有很大的表面积和很强的吸附能力，能够贮存氧化氮，显著提高反应物浓度，对催化剂处理氧化氮具有协同作用。
本发明采用的原料亚硒酸钠、亚碲酸钠、氯铂酸钾、硝酸镧、硝酸钇、氯化铬、氯化锰、氯化铁、氯化钴、硝酸、氟硼酸、氨水、TiO2、ZrO2、SiO2、SnO2、Al2O3、沸石和堇青石粉等均为化学试剂。
本发明的另一个目的是提供一种废气脱硝复合催化剂的制备方法，包括催化剂载体的预处理、助催化剂形成、复合催化剂形成三部分，采取的技术方案和步骤为：
（1）将催化剂载体加入含有阳离子表面活性剂和氟硼酸的水溶液中， 控制投料质量比为：催化剂载体：表面活性剂 ：HBF4：H2O=1：0.01-0.2：0.2-0.5：30-50，在40-50℃下搅拌使催化剂载体表面活化4-8h，然后过滤、洗涤、烘干备用；
（2）分别将化学试剂亚硒酸钠、亚碲酸钠、氯铂酸钾、硝酸镧、硝酸钇、过渡金属盐和硝酸溶于去离子水中配制成0.5mol/L的溶液备用；
（3）在搅拌下将经过预处理的催化剂载体加入亚硒酸钠、亚碲酸钠或氯铂酸钾溶液中浸渍，控制投料质量比为：催化剂载体：(SeO2、TeO2和PtO2)=1:0.02-0.1，搅拌吸附0.5-1h，然后缓慢滴加硝酸溶液，在催化剂载体上形成SeO2、TeO2和PtO2之一或其混合物的水合沉淀，用去离子水洗涤除去生成的盐分，将催化剂载体烘干，进一步在300-400℃下灼烧0.5-1h，水合沉淀物完全脱水形成氧化物，自然冷却后形成助催化剂；
（4）向硝酸镧和硝酸钇混合溶液中加入过渡金属盐溶液，再加入柠檬酸溶液，控制投料摩尔比为：B：La：Y：有机酸=1：0.5-0.9：0.1-0.5：2.0-2.5，搅拌混合0.5-1h，形成钙钛矿型溶胶LaxY1-xBO3，x=0.5-0.9；
（5）向钙钛矿溶胶中加入助催化剂，控制投料摩尔比为：LaxY1-xBO3：(SeO2、 TeO2和PtO2)=1:0.05-0.2，搅拌吸附0.5-1h，然后缓慢蒸发悬浮溶液形成凝胶，将凝胶烘干，进一步在500-600℃下灼烧1-2h，使柠檬酸分解，使稀土和过渡金属氧化物进行热化学反应形成钙钛矿结构，自然冷却后形成复合催化剂。
本发明废气脱硝复合催化剂可应用于硝酸氧化法生产乙醛酸、草酸和己二酸过程中氧化氮尾气净化处理；可应用于渣油裂解、煤炭燃烧、挥发性溶剂燃烧过程中氧化氮尾气净化处理；也可应用于机动车尾气净化处理。
采用本发明复合催化剂处理含NOx废气的性能评价在固定床玻璃反应器中进行，通过加热电炉控制反应温度。原料气是挥发性有机物燃烧废气，废气组成为310 /m3 NO、44/m3 NO2、140/m3 SO2、110/m3 H2O、518g /m3CO2 、216 g /m3O2 、786 g /m3 N2。在模拟处理反应器中装填催化剂10g，在250-300℃下处理废气，总流量为0.2 m3 /h，采用气相色谱仪检测进出口的NOx浓度，NOx 由进口处的平均 354 mg /m3 下降至出口处的 15-25mg /m3 ，NO的脱除率为 92.9%-95.8%。
本发明的有益效果是：
（1）本发明复合催化剂不依赖外加NH3还原组分进行NO还原，无二次污染问题；
（2）本发明复合催化剂耐水分和抗硫污染性能好，使用寿命长，运行成本低。
具体实施方式
实施例1
将催化剂载体ZrO2 100g加入含有阳离子表面活性剂十二烷基三甲基溴化铵0.4g和氟硼酸1g和水1000g的水溶液中，在40-50℃下搅拌使ZrO2表面活化4h，然后过滤、洗涤、烘干备用。分别将化学试剂亚硒酸钠3.4g（0.02mol）、硝酸镧29.3g（0.05mol）、硝酸钇19.2g（0.05mol）、氯化钴16.6g（0.1mol）和柠檬酸38.4g（0.2mol）溶于去离子水中配制成0.5mol/L的溶液备用。
在搅拌下将经过预处理的ZrO2载体100g加入亚硒酸钠溶液中浸渍搅拌吸附1h，然后缓慢滴加稀硝酸溶液至使溶液pH为3-4沉淀完全，在ZrO2载体上形成SeO2沉淀，用去离子水洗涤除去生成的硝酸钠，将ZrO2载体烘干，进一步在300-400℃下灼烧1h，自然冷却后形成SeO2 /ZrO2助催化剂。
将以上制备的硝酸镧和硝酸钇溶液混合，分别加入氯化钴溶液和柠檬酸溶液，搅拌混合1h，形成La0.5Y0.5CoO3钙钛矿溶胶；再加入SeO2 /ZrO2助催化剂，搅拌吸附1h，然后缓慢蒸发悬浮溶液形成凝胶，将凝胶烘干，进一步在500-600℃下灼烧2h，自然冷却后形成ZrO2负载的SeO2 / La0.5Y0.5CoO3复合催化剂。用其10g装填在固定床催化反应器中，在300℃下处理含NO的挥发性有机物燃烧废气，NO的清除率为95.8%。
实施例2
将催化剂载体Al2O3 100g加入含有阳离子表面活性剂十二烷基三甲基溴化铵0.4g和氟硼酸1g和水1000g的水溶液中，在40-50℃下搅拌使Al2O3表面活化8h，然后过滤、洗涤、烘干备用。分别将化学试剂亚碲酸钠2.2g（0.01mol）、硝酸镧46.8g（0.08mol）、硝酸钇7.7g（0.02mol）、三氯化铬15.5g（0.1mol）和柠檬酸48g（0.25mol）溶于去离子水中配制成0.5mol/L的溶液备用。
在搅拌下将经过预处理的Al2O3载体100g加入亚碲酸钠溶液中浸渍，搅拌吸附0.5h，然后缓慢滴加稀硝酸溶液至使溶液pH为3-4沉淀完全，在Al2O3载体上形成TeO2沉淀，用去离子水洗涤除去生成的硝酸钠，将Al2O3载体烘干，进一步在300-400℃下灼烧1h，自然冷却后形成TeO2 / Al2O3助催化剂。
将以上制备的硝酸镧和硝酸钇溶液混合，分别加入氯化铬溶液和柠檬酸溶液，搅拌混合1h，形成La0.8Y0.2CrO3钙钛矿溶胶；再加入TeO2/Al2O3助催化剂，搅拌吸附0.5h，然后缓慢蒸发悬浮溶液形成凝胶，将凝胶烘干，进一步在在500-600℃下灼烧2h，自然冷却后形成Al2O3负载的TeO2 /La0.8Y0.2CrO3复合催化剂。用其10g装填在固定床催化反应器中，在300℃下处理含NO的挥发性有机物燃烧废气，NO的清除率为92.9% 。

Claims (1)

1.一种废气脱硝复合催化剂的制备方法，包括催化剂载体的预处理、助催化剂形成、复合催化剂形成三部分，具体步骤为：
（1）将催化剂载体加入含有阳离子表面活性剂和氟硼酸的水溶液中， 控制投料质量比为：催化剂载体：表面活性剂 ：HBF4：H2O=1：0.01-0.2：0.2-0.5：30-50，在40-50℃下搅拌使催化剂载体表面活化4-8h，然后过滤、洗涤、烘干备用；
（2）分别将化学试剂亚硒酸钠、亚碲酸钠、氯铂酸钾、硝酸镧、硝酸钇、过渡金属盐和硝酸溶于去离子水中配制成0.5mol/L的溶液备用；
（3）在搅拌下将经过预处理的催化剂载体加入亚硒酸钠、亚碲酸钠和/或氯铂酸钾溶液中浸渍，控制投料质量比为：催化剂载体与SeO2、TeO2、PtO2中的一种或多种的比例为1:0.02-0.1，搅拌吸附0.5-1h，然后缓慢滴加硝酸溶液，在催化剂载体上形成SeO2、TeO2和PtO2之一或其混合物的水合沉淀，用去离子水洗涤除去生成的盐分，烘干，进一步在300-400℃下灼烧0.5-1h，自然冷却后形成助催化剂；
（4）向硝酸镧和硝酸钇混合溶液中加入过渡金属盐溶液，再加入柠檬酸溶液，控制投料摩尔比为：B：La：Y：有机酸=1：0.5-0.9：0.1-0.5：2.0-2.5，搅拌混合0.5-1h，形成钙钛矿型溶胶LaxY1-xBO3，x=0.5-0.9，所述的B是过渡金属Cr、Mn、Fe和Co之一或其混合物；
（5）向钙钛矿型溶胶中加入助催化剂，控制投料摩尔比为：LaxY1-xBO3与SeO2、 TeO2、PtO2中的一种或多种的比例为1:0.05-0.2，搅拌吸附0.5-1h，然后缓慢蒸发悬浮溶液形成凝胶，将凝胶烘干，进一步在500-600℃下灼烧1-2h，自然冷却后形成复合催化剂。
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