CN107456994B - 高温蜂窝催化剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高温蜂窝催化剂及其制备方法。其特征在于首先制得蜂窝陶瓷坯体,然后在一定温度下,将蜂窝陶瓷坯体浸渍在多组分金属离子和氨基甲酸铵混合体系中,经高温燃烧处理得到蜂窝状催化剂。本发明的目的在于提供高温蜂窝催化剂及其制备方法,本发明制备的蜂窝催化剂在230~535℃的NOx的转化率均高于78%,535℃NOx转化率为79.8%,显示了较好的高温NOx活性,同时还具有涂层牢固度高、活性组分分布均匀、耐热冲击的优点。本发明制备过程简单、易于控制。

Description

高温蜂窝催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及高温蜂窝催化剂及其制备方法,属于汽车排放技术领域,尤其属于用于SCR脱硝的催化剂制备领域。
背景技术
为满足NOx排放法规,机内净化及后处理技术必不可少。目前, SCR技术已成为中重型柴油机企业首选降低 NOx技术路线,其原理是利用尿素水解产生的氨气和汽车尾气中的NOx经过涂有活性涂层的载体时,NOx快速被氨气还原为氮气和水,氨气和NOx之所以能够在后处理载体上进行快速的化学反应,是与载体上催化剂组成密不可分的。载体的作用除了承担着涂层和催化剂外,还提供合适的催化反应通道,催化剂与载体如何组合使其功能发挥至最大,研究表明,整体式蜂窝催化剂被认为是较为理想的能够将催化效果发挥最大,而整体式蜂窝催化剂主要分为涂覆式和共混挤出式两种。涂覆式是将催化剂粉末与一定的添加剂混合制备成催化剂浆料涂覆在蜂窝陶瓷载体上,形成一定厚度的活性涂层,目前主要使用的催化剂有钒钨钛催化剂和分子筛催化剂。然而此种方法面临着涂层不牢固不高的问题,即随着使用里程的增加,载体上的催化剂会发生脱落,导致NOx转化率降低,无法满足排放法规要求;共混挤出成型法制备蜂窝催化剂是将催化剂与一定的添加剂混合,通过一系列的工艺步骤挤压成蜂窝状,即催化剂均匀的分布于载体的各个部分,此种方法缩短了SCR整体式蜂窝催化剂制备工艺流程,弥补了传统涂覆式整体催化剂涂层脱落的问题,提高了整体式SCR催化剂的耐久里程。近年来分子筛催化剂由于温度窗口宽、环境友好、NOx活性高等优点在SCR领域取得良好的效果,发达国家已经逐步使用。许多研究发现Fe基或Cu-Fe/zeolite催化剂的De-NOx效率高,在SCR领域具有较广阔的发展前景。然而随着环保法规的日益严格,对NOx限值的要求越来越高,欧VI阶段NOx限值为0.4g/Kwh,相比欧V下降80%,实际上,在不含硫、无尘、无水条件下,很多催化剂都呈现了优异的NOx活性,但是在道路验证时,大多数分子筛催化剂不具高温NOx转化率高、较好的抗硫能力及高温热冲击的要求。
CN201510873743.4公开了一种高强度蜂窝式薄壁脱硝催化剂,属于工业脱硝技术领域,所述高强度蜂窝式薄壁脱硝催化剂各组分按照以下重量份数:TiO280份~85份、SiO21份~2份、Ca(OH)25份~10份、WO35份~10份、V2O50份~2份、玻璃纤维1份~3份混合而成。该技术方案与现有技术相比,通过Ca(OH)2的加入,减少催化剂中的结合水,增强催化剂颗粒之间的结合力,使其催化剂强度增强;同时Ca离子的加入能够在一定程度上提高催化剂的反应活性,提高催化效率,具有有益的技术效果。本发明还提供了一种上述催化剂的制备方法,该制作方法较现有的工艺,催化剂泥料挤出更容易,生产成本更低,具有广阔的市场前景。
CN201510846064.8公开了一种抗高温蜂窝式脱硝催化剂,包括催化剂载体、活性成分和抗高温助剂,所述催化剂载体为二氧化钛,所述活性成分为五氧化二钒,所述抗高温助剂为三氧化二铝和三氧化钨,且各组分的质量份数为:二氧化钛50~70份,三氧化二铝20~40份,五氧化二钒0.1~2份,三氧化钨5~10份。本发明所述的一种抗高温蜂窝式脱硝催化剂,通过在催化剂中加入一定比例的三氧化二铝,能够提高脱硝催化剂抗高温能力,且可以降低脱硝催化剂的生产成本。本发明还公开了所述的一种抗高温蜂窝式脱硝催化剂的制备方法。
CN201410410246.6本发明涉及一种蜂窝式铈锆钨钛基脱硝催化剂及其制备方法,本发明的蜂窝式铈锆钨钛基脱硝催化剂是通过制备钛钨粉、制备活性组分溶液、制备泥料、过滤预挤、制备脱硝泥坯和焙烧得到。本发明的脱硝催化剂具有较佳的脱硝活性和抗水耐硫性能。
上述制备脱硝催化剂及其制备方法存在问题如下:(1)高温NOx活性低;(2)耐高温热冲击性能差;(3)内部的活性组分无法得到利用,造成催化活性组分浪费及制备成本高;(4)制备工艺复杂。
为了克服上述现有技术的缺陷,本发明设计的思路是:首先将粘土、分子筛、莫来石纤维、纤维素、高温粘结剂、润滑剂、增塑剂和水制成泥坯,经干燥、定型、煅烧得到蜂窝陶瓷坯体;然后将将蜂窝陶瓷坯体浸渍在含有铁离子、过渡金属离子混合液中,在一定温度下通过氨基甲酸铵的作用下,使活性液中的铁离子、过渡金属离子与蜂窝陶瓷体中分子筛组分部分进行离子交换反应,再经高温煅烧使分子筛、部分活性金属组分通过化学反应,最终实现活性组分均匀分布、高效率负载;由于金属活性组分是通过化学作用与载体中的分子筛作用,因而活性组分可以牢固地负载在载体表面,克服涂覆式蜂窝催化剂涂层脱落的缺点,同时可避免蜂窝催化剂内部活性组分的浪费,降低生产成本;此外,铁离子和过渡金属离子,在一定条件下,通过氨基甲酸铵的作用使不同金属间的协同作用最大化,具有高温高NOx活性的同时,还具有较好耐热冲击性能。
发明内容
本发明的目的在于提供高温蜂窝催化剂及其制备方法,其具有涂层牢固度高、活性组分分布均匀、耐热冲击的优点,在230~535℃的温度区间内NOx的转化率均高于78%,535℃NOx转化率为79.8%,显示了较好的高温NOx活性;制备过程简单、易于控制。
本发明的技术方案是这样实现的:高温蜂窝催化剂及其制备方法,其特征在于具体步骤如下:(1)蜂窝陶瓷坯体制备:将粘土、分子筛、莫来石纤维、纤维素、高温粘结剂、润滑剂、增塑剂和水按照一定质量比放入混泥机中进行混炼捏泥3~6h,得到泥坯;将泥坯放入真空练泥机中进行炼泥2~4h,取出用保鲜膜包住,放入阴凉潮湿的空气中进行陈腐18~20h,制得泥坯,放入挤出成型机中进行挤出,挤出压力为23Mpa,用钼丝切割成蜂窝陶瓷湿坯体,迅速将坯体放入微波于95℃~115℃条件下,经定型干燥处理、端面加工,于550~580℃条件下煅烧3~5h。(2)蜂窝陶瓷坯体活性涂层制备a.将一定质量的铁盐,金属助剂盐及氨基甲酸铵溶于去离子水中,搅拌溶解得到活性液;b.将蜂窝陶瓷体悬置于活性液中,45~60℃,浸渍5~10min后取出,用吹扫气体吹走表面残留液,置于烘箱85~110℃烘干,如此反复,可进行1~5次浸渍,最后在500℃~550℃煅烧1~3h,即得到蜂窝催化剂成品。
所述金属助剂为La、Ce、Co盐中的一种或组合。
所述的活性液中铁盐/过渡金属盐/分子筛的质量比为19.40g~35.8g/4.67g~11.19g/1.0g~1.72g。
所述的(1)中的粘土可包括高岭土、膨润土、凹凸棒土或是其中两种或三种粘土的组合,若是两种粘土的组合,质量比可以为1:1或1:2或2:1;若是三种粘土的组合,则质量比为1:1:1。粘土占蜂窝陶瓷无机组分的30wt%~60wt%;分子筛可包括MFI型、MOR型、CHA型,其占蜂窝陶瓷无机组分的5wt%~30wt%;莫来石纤维占蜂窝陶瓷无机组分的2wt%~5wt%;高温粘结剂可包括磷酸二氢铝、玻璃粉、硅溶胶、铝溶胶,其占蜂窝陶瓷无机组分的10wt%~30wt%。纤维素、润滑剂、增塑剂和水作为蜂窝体无机部分的追加组分,纤维素可包括甲基纤维素、羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素,粘结剂的加入量为无机组分的1wt%~4wt%;润滑剂可包括桐油、玉米油、妥尔油、硬脂酸钠或其它合适的润滑剂,润滑剂的加入量为无机组分的1wt%~4wt%。增塑剂可包括甘油、聚乙二醇或是其它合适的增塑剂,增塑剂的加入量为无机组分的1wt%~4wt%;水的加入量为无机组分的15wt%~25wt%。
本发明的积极效果是制备过程简单、易于控制,在230~535℃的温度区间内NOx的转化率均高于78%,535℃NOx转化率为79.8%。
附图说明
图1为实施例1~6脱落率测试的振动试验台示意图。
图2为实施例1和某公司蜂窝催化剂产品的NOx转化曲线测试结果。
具体实施方式
在下述的具体事例描述中,给出了大量具体的细节以便于更为深刻的理解本发明。然而,对于本领域技术人员来说显而易见的是,本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。
实施例1
(1)蜂窝陶瓷坯体制备
将5.5kg高岭土、2.0kgBeta25分子筛、0.5kg莫来石纤维、2.0kg磷酸二氢铝、0.3kg甲基纤维素、0.3kg桐油、0.3kg甘油和2kg水放入捏泥机中混炼3h成泥;再将泥坯放入真空练泥机中进行炼泥,混炼时间为4h;之后将经过真空炼泥的泥坯用保鲜膜包住,放入阴凉潮湿的空气中陈腐18h,制得可塑性好的泥坯;将陈腐好的泥坯放入挤出机中进行挤压成型,挤出压力为23Mpa,使泥坯经过底面直径为18cm,200目的不锈钢模具,然后用钼丝切割成所需要长度的蜂窝陶瓷湿坯体,迅速将坯体放入微波中进行干燥定型,干燥温度为105℃,干透为止、端面加工,550℃煅烧5h,烧结后,用压缩空气对蜂窝孔进行通孔处理;
(2)蜂窝陶瓷坯体活性涂层制备
将960g硝酸铁、300g硝酸铈、41g氨基甲酸铵溶于去离子水中,搅拌溶解得到活性液;将(1)中烧结定型后的蜂窝陶瓷坯体(陶瓷坯体质量为1kg)置于活性液中,60℃浸渍5min取出,用吹扫气吹走表面残留液体,于110℃烘干,最后经500℃煅烧3h,即得到蜂窝催化剂成品。
将实施例1-6制备得到蜂窝催化剂成品进行涂层脱落率试验,首先称量质量后将蜂窝催化剂成品安装在振动试验台上,如图1所示,实施例1-6振动脱落率测试结果如表1所示。
实施例 脱落率/%
实施例1 1.12
实施例2 1.23
实施例3 0.98
实施例4 1.08
实施例5 1.03
实施例6 1.10
采用振动加速度10g,振动频率为(100±5)Hz,试验时间为5h,实验结束后取下蜂窝催化剂成品称其质量,经计算涂层脱落率为均≤1.23%,这表明活性组分涂层与载体结合的牢固度非常高,与涂覆式蜂窝催化剂相比,本实施例蜂窝催化剂成品具有较好牢固度。
将实施例1制备得到整体蜂窝催化剂切割成截面为1.5cm*1.5cm,长度为2cm的长方体小段,放于固定床反应器中,反应气氛模拟尾气组成,NO:600ppm,NH3:600ppm,O2:5%,N2为平衡气。调节气流量使得反应的空速为50000h-1。分别检测进出口NOx浓度,从而计算出NOx的转化率。图2为实施例1以及某公司蜂窝催化剂产品的NOx转化曲线。从测试结果可以看出本发明制备的蜂窝催化剂在230~535℃的温度区间内NOx的转化率均高于78%,其中535℃高温下NOx转化率能达到79.8%,显示了较好的高温NOx活性。某公司的高温催化剂270~535℃NOx转化率能达到70%,535℃仅为73%。
实施例2
(1)蜂窝陶瓷坯体制备
将5.5kg高岭土、1.7kg Sapo-34分子筛、0.3kg莫来石纤维、2.5kg玻璃粉、0.4kg羟丙基甲基纤维素、0.3kg桐油、0.3kg甘油和2.5kg水放入捏泥机中混炼8h成泥;再将泥坯放入真空练泥机中进行炼泥,混炼时间为1h;之后将经过真空炼泥的泥坯用保鲜膜包住,放入阴凉潮湿的空气中陈腐24h,制得可塑性好的泥坯,将泥坯放入挤出机中进行挤压成型,挤出压力为23Mpa,使泥坯经过底面直径为18cm,200目的不锈钢模具,然后用钼丝切割成所需要长度的蜂窝陶瓷湿坯体,迅速将坯体放入微波中105℃进行干燥定型,干透为止,进行端面加工。580℃,烧结3h,烧结后,用压缩空气对蜂窝孔进行通孔处理;
(2)蜂窝陶瓷坯体活性涂层制备
将520g硝酸铁、125g硝酸钴、26.8g氨基甲酸铵溶于去离子水中,搅拌溶解得到活性液;将(1)中烧结定型后的蜂窝陶瓷坯体(陶瓷坯体质量为1kg)置于活性液中,45℃浸渍10min取出,用吹扫气吹走表面残留液体,于85℃烘干,如此进行二次浸渍,烘干,最后经550℃煅烧1h,即得到蜂窝催化剂成品。
实施例3
(1)蜂窝陶瓷坯体制备
将6kg凹凸棒土、0.8kgSSZ-13分子筛、0.2kg莫来石纤维、3.0kg硅溶胶、0.3kg羟乙基纤维素、0.3kg桐油、0.3kg甘油和0.5kg水放入捏泥机中混炼4h成泥;再将泥坯放入真空练泥机中进行炼泥2h;之后将经过真空炼泥的泥坯用保鲜膜包住,放入阴凉潮湿的空气中陈腐20h,制得可塑性好的泥坯,将陈腐好的泥坯放入挤出机中进行挤压成型,挤出压力为23Mpa,使泥坯经过底面直径为18cm,200目的不锈钢模具,然后用钼丝切割成所需要长度的蜂窝陶瓷湿坯体,迅速将坯体放入微波中110℃进行干燥定型,干透为止,进行端面加工;580℃,烧结4h,烧结后,用压缩空气对蜂窝孔进行通孔处理;
(2)蜂窝陶瓷坯体活性涂层制备
将800g硝酸铜、200g硝酸镧、40.7g氨基甲酸铵溶于去离子水中,搅拌溶解得到活性液;将(1)中烧结定型后的蜂窝陶瓷坯体(陶瓷坯体质量为1kg)置于活性液中,60℃浸渍6min取出,用吹扫气吹走表面残留液体,105℃烘干,如此进行第2次浸渍、烘干,最后经500℃煅烧1h,即得到蜂窝催化剂成品。
实施例4
(1)蜂窝陶瓷坯体制备
将5kg的高岭土和凹凸棒土(高岭土和凹凸棒土比例为2:1)、1.7kgZSM-5分子筛、0.3kg莫来石纤维、3kg铝溶胶(质量分数为50%)、0.3kg羟甲基纤维素、0.3kg桐油、0.3kg甘油和0.5kg水放入捏泥机中混炼4h成泥;再将泥坯放入真空练泥机中进行炼泥2h,之后将经过真空炼泥的泥坯用保鲜膜包住,放入阴凉潮湿的空气中陈腐20h,制得可塑性好的泥坯,将陈腐好的泥坯放入挤出机中进行挤压成型,挤出压力为23Mpa,使泥坯经过底面直径为18cm,200目的不锈钢模具,然后用钼丝切割成所需要长度的蜂窝陶瓷湿坯体,迅速将坯体放入微波中105℃进行干燥定型,干透为止,进行端面加工;580℃,烧结5h,烧结后,用压缩空气对蜂窝孔进行通孔处理;
(2)蜂窝陶瓷坯体活性涂层制备
将900g硝酸铁、235g硝酸镧、46g氨基甲酸铵溶于去离子水中,搅拌溶解得到活性液;将第一步中烧结定型后的蜂窝陶瓷坯体(陶瓷坯体质量为1kg)置于活性液中,50℃浸渍5min取出,用吹扫气吹走表面残留液体,于105℃烘干,最后经530℃煅烧1.5h,即得到蜂窝催化剂成品。
实施例5
(1)蜂窝陶瓷坯体制备
将6kg的高岭土、凹凸棒土和膨润土(高岭土:凹凸棒土:膨润土=2:1:1)、1.7kgBeta40分子筛、0.3kg莫来石纤维、2kg磷酸二氢铝、0.3kg羟甲基纤维素、0.3kg桐油、0.3kg甘油和2.0kg水放入捏泥机中混炼5h成泥;再将泥坯放入真空练泥机中进行炼泥2h,之后将经过真空炼泥的泥坯用保鲜膜包住,放入阴凉潮湿的空气中陈腐20h,制得可塑性好的泥坯,将陈腐好的泥坯放入挤出机中进行挤压成型,挤出压力为23Mpa,使泥坯经过底面直径为18cm,200目的不锈钢模具,然后用钼丝切割成所需要长度的蜂窝陶瓷湿坯体,迅速将坯体放入微波中105℃进行干燥定型,进行端面加工;580℃,烧结5h,烧结后,用压缩空气对蜂窝孔进行通孔处理;
(2)蜂窝陶瓷坯体活性涂层制备
将600g硝酸铁、80g硝酸钴、80g硝酸铈、80g硝酸镧、36.2g氨基甲酸铵溶于去离子水中,搅拌溶解得到活性液;将(1)中烧结定型后的蜂窝陶瓷坯体(陶瓷坯体质量为1kg)置于活性液中,55℃浸渍5min取出,用吹扫气吹走表面残留液体,于105℃烘干,最后经520℃煅烧2h,即得到蜂窝催化剂成品。
实施例6:
(1)蜂窝陶瓷坯体制备
将5.5kg的高岭土、凹凸棒土和膨润土(高岭土:凹凸棒土:膨润土=2:1:1)、1.7kg分子筛(ZSM-5:SSZ-13=2:1)、0.3kg莫来石纤维、2.5kg玻璃粉、0.3kg羟甲基纤维素(粘结剂)、0.3kg桐油、0.3kg甘油和2.5kg水放入捏泥机中混炼5h成泥;再将泥坯放入真空练泥机中进行炼泥2h,;之后将经过真空炼泥的泥坯用保鲜膜包住,放入阴凉潮湿的空气中陈腐20h,制得可塑性好的泥坯,将陈腐好的泥坯放入挤出机中进行挤压成型,挤出压力为23Mpa,使泥坯经过底面直径为18cm,200目的不锈钢模具,然后用钼丝切割成所需要长度的蜂窝陶瓷湿坯体,迅速将坯体放入微波中105℃干燥定型,进行端面加工,580℃,烧结5h,烧结后,用压缩空气对蜂窝孔进行通孔处理;
(2)蜂窝陶瓷坯体活性涂层制备
将750g硝酸铁、80硝酸镧、200g硝酸铈、41.3g氨基甲酸铵溶于去离子水中,搅拌溶解得到活性液;将(1)中烧结定型后的蜂窝陶瓷坯体(陶瓷坯体质量为1kg)置于活性液中,52℃浸渍8min取出,用吹扫气吹走表面残留液体,于110℃烘干,最后经550℃煅烧1h,即得到蜂窝催化剂成品。

Claims (1)

1.高温蜂窝催化剂制备方法,其特征在于具体步骤如下:(1)蜂窝陶瓷坯体制备:将粘土、分子筛、莫来石纤维、纤维素、高温粘结剂、润滑剂、增塑剂和水按照一定质量比放入混泥机中进行混炼捏泥3~6h,得到泥坯;将泥坯放入真空练泥机中进行炼泥2~4h,取出用保鲜膜包住,放入阴凉潮湿的空气中进行陈腐18~20h,制得泥坯,放入挤出成型机中进行挤出,挤出压力为23Mpa,用钼丝切割成蜂窝陶瓷湿坯体,迅速将坯体放入微波于95℃~115℃条件下,经定型干燥处理、端面加工,于550~580℃条件下煅烧3~5h;
(2)蜂窝陶瓷坯体活性涂层制备:
a.将一定质量的铁盐,金属助剂盐及氨基甲酸铵溶于去离子水中,搅拌溶解得到活性液;b.将蜂窝陶瓷体悬置于活性液中,45~60℃,浸渍5~10min后取出,用吹扫气体吹走表面残留液,置于烘箱85~110℃烘干,如此反复,进行多次浸渍,最后在500℃~550℃煅烧1~3h,即得到蜂窝催化剂成品;
其中粘土包括高岭土、膨润土、凹凸棒土或是其中两种或三种粘土的组合,粘土占蜂窝陶瓷无机组分的30wt%~60wt%;分子筛包括MFI型、MOR型、CHA型,其占蜂窝陶瓷无机组分的5wt%~30wt%;莫来石纤维占蜂窝陶瓷无机组分的2wt%~5wt%;高温粘结剂包括磷酸二氢铝、玻璃粉、硅溶胶、铝溶胶,其占蜂窝陶瓷无机组分的10wt%~30wt%;
纤维素包括甲基纤维素、羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素,粘结剂的加入量为无机组分的1wt%~4wt%;润滑剂包括桐油、玉米油、妥尔油、硬脂酸钠或其它合适的润滑剂,润滑剂的加入量为无机组分的1wt%~4wt%;增塑剂包括甘油、聚乙二醇或是其它合适的增塑剂,增塑剂的加入量为无机组分的1wt%~4wt%;水的加入量为无机组分的15wt%~25wt%;所述金属助剂为La、Ce、Co盐中的一种或组合;所述的活性液中铁盐/过渡金属盐/分子筛的质量比为19.40g~35.8g/4.67g~11.19g/1.0g~1.72g。
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