CN107519940A - 一种用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂及其制备方法 - Google Patents

一种用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂及其制备方法,属于催化剂技术领域。该催化剂由载体、活性组分组成,其中载体为以铈、锆为中心原子,1,4‑对苯二甲酸为连接体的金属有机框架体,活性组分为锰金属氧化物;以质量百分数计,该催化剂中含有锰金属氧化物5~20%,其余为金属有机框架体;该催化剂载体制备方法为溶剂热法,活性组分Mn以锰盐的形式加入。本发明的催化剂可以在低温,微氧条件下高效的去除烟气中的砷和单质汞。

Description

一种用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂及其制备方法
技术领域
本发明公开一种用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂及其制备方法,属于催化剂和废气处理技术领域。
背景技术
重金属污染对于人类健康和生态安全的影响是巨大的,大气重金属污染是重金属污染的一种重要形式。大气中重金属的迁移性强、覆盖面广,对人体健康有直接的威胁,具有不可降解性、生物毒性和生物累积性等特点,还会通过降尘、降水引起土壤、水系等的交叉污染,进而危害其他生态系统。
黄磷是重要的基础化工原料,我国是产量占世界80%以上的最大黄磷生产国,黄磷产量达80万吨/年,黄磷的生产过程中,伴随着大量的混合尾气生成,每生产1吨黄磷约产生2500~3000Nm3的尾气,其中含有CO,O2,H2O,HCN,PH3,以及汞、砷等重金属。鉴于黄磷尾气杂质种类和性质复杂、净化处理难度大,现有大多数的黄磷生产企业都未处理和回收黄磷尾气。国家发布的《黄磷行业准入条件》中规定:磷炉尾气不得直排燃烧,必须实现能源化和资源化回收利用。。黄磷生产均采用水洗受磷,湿法除尘净化工艺,经传统水洗除尘后尾气中汞的含量为12~18mg/m3,砷含量为80-180mg/m3,黄磷尾气中的汞、砷主要来源是生产原料中的磷矿和焦炭,在黄磷尾气的还原性气氛下,汞主要以气态单质汞(Hg0)的形式存在,砷主要以砷化氢(AsH3)的形式存在。
气相中的汞以氧化态汞(Hg2+)、颗粒态汞(Hgp)和单质汞(Hg0)三种形态存在。Hg2+易溶于水且易附着在颗粒物上,故可用除尘或湿法洗涤装置脱除,Hgp在大气中的停留时间很短,可用电除尘器或不带除尘器收集;而Hg0由于其低熔点,高平衡蒸气压以及低水溶性等特点,很难被设备捕获脱除。目前,对于Hg0净化的技术和研究主要由吸附法、氯化法除汞、催化氧化法、光化学氧化法等。吸附法采用活性炭、金属氧化物等吸附剂等吸附Hg0,但吸附后的汞单质不经处理会造成二次污染;氯化法除汞主要是利用氯化汞与单质汞的反应形成甘汞,去除效率较高,但依然不能达到现在的排放标准;催化氧化净化法的应用最为广泛,用活性炭、二氧化钛、Al2O3负载活性物质,使Hg0转化为Hg2+,既降低了毒性又使汞更容易被一般技术处理。砷在烟气中主要以氧化态(As2O5、AsO、砷酸盐)和还原态(AsH3)形式存在。对烟气中氧化态砷的净化技术主要有氧化钙吸附法、活性炭吸附法、飞灰吸附法等。对于AsH3催化剂的研究,主要以Al2O3、活性炭、分子筛为载体负载金属氧化物或贵金属,将AsH3氧化为As3+或As5+加以去除。
中国专利申请CN103537306A公开了“一种具有零价汞氧化性能的SCR催化剂及其制备方法”,该催化剂在保持较高脱硝效率的情况下具有优异的零价汞氧化性能,但催化剂制备仅通过溶液浸渍法,催化效率仍受限制。中国专利申请CN104437529A公开了“用于高效氧化单质汞的SCR催化剂及其制备方法”,该催化剂对单质汞的氧化效率最高可达98%,但该催化剂反应温度高,需要的催化剂装载量大,且要求入口汞浓度较低,对高浓度汞的氧化效率不高。中国专利申请CN104624223A公开了“一种用于工业尾气净化的连续脱砷催化剂及其制备方法”,该催化剂以分子筛为载体,由活性组分溶液、分子筛原粉和粘结分散剂混合制成,但其活性组分为铜盐,对CO的吸附亲和力强,从而导致对AsH3的催化效率下降。
发明内容
为了在低温、微氧条件下高效联合脱除黄磷尾气中的砷和汞,而提供一种多效催化剂及其制备方法;
一种用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂,由载体、活性组分组成,其中载体为以铈、锆为中心原子,1,4-对苯二甲酸为连接体的金属有机框架体,活性组分为锰金属氧化物;以质量百分数计,该催化剂中含有锰金属氧化物5~20%,其余为金属有机框架体;
本发明的另一目的是提供所述用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂的制备方法,其特征在于,具体步骤如下:
(1)将1,4-对苯二甲酸、氯化锆、氯化铈混合均匀,然后加入到N,N-二甲基甲酰胺中,混合均匀得到混合物A;
(2)在温度为100~140℃,步骤(1)所得混合物A在聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中反应20~28h,过滤,所得固体依次采用N,N-二甲基甲酰胺、蒸馏水、甲醇进行清洗,真空干燥即得载体金属有机框架体;
(3)在温度为80~100℃、搅拌条件下,将锰盐、分散剂加入到乙醇中并分散均匀得到Mn离子胶体溶液;
(4)将步骤(2)所得载体金属有机框架体浸渍在步骤(3)所得Mn离子胶体溶液中得到混合物B;
(5)蒸发去除步骤(4)所得混合物B中的溶剂,干燥得到固体C;
(6)在温度为300~400℃条件下,将步骤(4)所得固体C焙烧3~5h,压片、研磨、过筛得到用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂;
所述步骤(1)中1,4-对苯二甲酸、氯化锆、氯化铈的摩尔比为1:(1-x):x,x为0~0.5;
所述步骤(1)中N,N-二甲基甲酰胺的体积与1,4-对苯二甲酸的摩尔数之比mL:mmol为5:1;
所述步骤(3)中锰盐为醋酸锰、氯化锰、硫酸锰或硝酸锰,分散剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB),Mn离子胶体溶液中锰盐的浓度为5 ~ 20%,分散剂的浓度为1~3g/L;
所述步骤(4)中载体金属有机框架体与Mn离子胶体溶液的固液比g:mL为1:30;
催化剂再生方法步骤如下:将失去吸附能力的催化剂在热氮气气流下活化3小时,然后用去离子水将催化剂洗至中性,将样品放入管式炉中,通入氮气,在温度为400℃条件下吹扫1h,冷却至室温后可取出再生后的催化剂。
本发明的有益效果是:
(1)本发明的催化剂具有较高的催化活性,可在低温、微氧条件下高效去除黄磷尾气中的砷和汞,催化剂对砷氧化物和汞的吸附容量大;
(2)本发明的催化剂可再生,并且再生催化剂对黄磷尾气中的砷和汞脱除效果优异;
(3)本发明的催化剂制备方法简单易行。
附图说明
图1为实施例1~4所得用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂的不同Mn含量的Mn 2p XPS峰。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明,但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1:本实施例用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂,由载体、活性组分组成,其中载体为以铈、锆为中心原子,1,4-对苯二甲酸为连接体的金属有机框架体,活性组分为锰金属氧化物;以质量百分数计,该催化剂中含有锰金属氧化物15%,其余为金属有机框架体;
本实施例用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂的制备方法,具体步骤如下:
(1)将1,4-对苯二甲酸、氯化锆、氯化铈混合均匀,然后加入到N,N-二甲基甲酰胺中,混合均匀得到混合物A;其中1,4-对苯二甲酸、氯化锆、氯化铈的摩尔比为1:0.8:0.2,N,N-二甲基甲酰胺的体积与1,4-对苯二甲酸的摩尔数之比mL:mmol为5:1;
(2)在温度为120℃,步骤(1)所得混合物A在聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中反应24h,过滤,所得固体依次采用N,N-二甲基甲酰胺、蒸馏水、甲醇进行清洗,在温度为60℃的真空干燥箱中干燥即得载体金属有机框架体;
(3)在温度为100℃、搅拌条件下,将锰盐(锰盐为硝酸锰)、分散剂(分散剂为聚乙烯吡咯烷酮)加入到乙醇中并分散均匀得到Mn离子胶体溶液,其中Mn离子胶体溶液中锰盐的质量为催化剂的15%,分散剂(聚乙烯吡咯烷酮)的浓度为2g/L;
(4)将步骤(2)所得载体金属有机框架体浸渍在步骤(3)所得Mn离子胶体溶液中得到混合物B,其中载体金属有机框架体与Mn离子胶体溶液的固液比g:mL为1:30;
(5)在温度为60℃条件下,蒸发去除步骤(4)所得混合物B中的溶剂(乙醇),干燥得到固体C;
(6)在温度为300℃条件下,将步骤(4)所得固体C焙烧3h,压片、研磨、过20目筛得到用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂;
本实施例用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂在黄磷尾气中砷和汞的应用方法,具体步骤为:
(1)在固定石英床反应器(Φ6mm×70mm)内装填0.2g本实施例制备的用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂;
(2)将步骤(1)中装填有催化剂的固定石英床反应器加热至温度为80℃,将模拟烟气通入固定床反应器内进行催化氧化反应,其中模拟烟气中砷的浓度为120mg/m3,汞的浓度为15mg/m3,氧气的体积浓度为1%,其余为氮气,模拟烟气的流量为400mL/min,反应空速为50000h-1
(3)检测步骤(2)中固定床反应器出口模拟烟气中砷和汞的排放浓度,经催化剂吸附脱除后模拟烟气中砷和汞的脱出率在18h内维持100%。
应用上述再生方法再生催化剂,模拟烟气中的砷和汞的脱除率仍可在16h内维持100%。
实施例2:本实施例用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂,由载体、活性组分组成,其中载体为以铈、锆为中心原子,1,4-对苯二甲酸为连接体的金属有机框架体,活性组分为锰金属氧化物;以质量百分数计,该催化剂中含有锰金属氧化物20%,其余为金属有机框架体;
本实施例用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂的制备方法,具体步骤如下:
(1)将1,4-对苯二甲酸、氯化锆、氯化铈混合均匀,然后加入到N,N-二甲基甲酰胺中,混合均匀得到混合物A;其中1,4-对苯二甲酸、氯化锆、氯化铈的摩尔比为1:0.6:0.4,N,N-二甲基甲酰胺的体积与1,4-对苯二甲酸的摩尔数比mL:mmol为5:1;
(2)在温度为140℃,步骤(1)所得混合物A在聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中反应26h,过滤,所得固体依次采用N,N-二甲基甲酰胺、蒸馏水、甲醇进行清洗,在温度为70℃的真空干燥箱中干燥即得载体金属有机框架体;
(3)在温度为80℃、搅拌条件下,将锰盐(锰盐为醋酸锰)、分散剂(分散剂为聚乙烯吡咯烷酮)加入到乙醇中并分散均匀得到Mn离子胶体溶液,其中Mn离子胶体溶液中锰盐的质量为催化剂的20%,分散剂(PVP)的浓度为1g/L;
(4)将步骤(2)所得载体金属有机框架体浸渍在步骤(3)所得Mn离子胶体溶液中得到混合物B,其中载体金属有机框架体与Mn离子胶体溶液的固液比g:mL为1:30;
(5)在温度为80℃条件下,蒸发去除步骤(4)所得混合物B中的溶剂(乙醇),干燥得到固体C;
(6)在温度为350℃条件下,将步骤(4)所得固体C焙烧4h,压片、研磨、过20目筛得到用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂;
本实施例用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂在黄磷尾气中砷和汞的应用方法,具体步骤为:
(1)在固定石英床反应器(Φ6mm×70mm)内装填0.2g本实施例制备的用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂;
(2)将步骤(1)中装填有催化剂的固定石英床反应器加热至温度为80℃,将模拟烟气通入固定床反应器内进行催化氧化反应,其中模拟烟气中砷的浓度为120mg/m3,汞的浓度为15mg/m3,氧气的体积浓度为1%,其余为氮气,模拟烟气的流量为400mL/min,反应空速为50000h-1
(3)检测步骤(2)中固定床反应器出口模拟烟气中砷和汞的排放浓度,经催化剂吸附脱除后模拟烟气中砷和汞的脱出率在14h内维持100%。
应用上述再生方法再生催化剂,模拟烟气中的砷和汞的脱除率仍可在11h内维持100%。
实施例3:本实施例用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂,由载体、活性组分组成,其中载体为以铈、锆为中心原子,1,4-对苯二甲酸为连接体的金属有机框架体,活性组分为锰金属氧化物;以质量百分数计,该催化剂中含有锰金属氧化物10%,其余为金属有机框架体;
本实施例用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂的制备方法,具体步骤如下:
(1)将1,4-对苯二甲酸、氯化锆、氯化铈混合均匀,然后加入到N,N-二甲基甲酰胺中,混合均匀得到混合物A;其中1,4-对苯二甲酸、氯化锆、氯化铈的摩尔比为1:0.5:0.5,N,N-二甲基甲酰胺的体积与1,4-对苯二甲酸的摩尔数比mL:mmol为5:1;
(2)在温度为100℃,步骤(1)所得混合物A在聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中反应20h,过滤,所得固体依次采用N,N-二甲基甲酰胺、蒸馏水、甲醇进行清洗,在温度为70℃的真空干燥箱中干燥即得载体金属有机框架体;
(3)在温度为90℃、搅拌条件下,将锰盐(锰盐为氯化锰)、分散剂(分散剂为十六烷基三甲基溴化铵)加入到乙醇中并分散均匀得到Mn离子胶体溶液,其中Mn离子胶体溶液中锰盐的质量为催化剂的10%,分散剂(CTAB)的浓度为1g/L;
(4)将步骤(2)所得载体金属有机框架体浸渍在步骤(3)所得Mn离子胶体溶液中得到混合物B,其中载体金属有机框架体与Mn离子胶体溶液的固液比g:mL为1:30;
(5)在温度为70℃条件下,蒸发去除步骤(4)所得混合物B中的溶剂(乙醇),干燥得到固体C;
(6)在温度为300℃条件下,将步骤(4)所得固体C焙烧3h,压片、研磨、过20目筛得到用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂;
本实施例用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂在黄磷尾气中砷和汞的应用方法,具体步骤为:
(1)在固定石英床反应器(Φ6mm×70mm)内装填0.2g本实施例制备的用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂;
(2)将步骤(1)中装填有催化剂的固定石英床反应器加热至温度为80℃,将模拟烟气通入固定床反应器内进行催化氧化反应,其中模拟烟气中砷的浓度为120mg/m3,汞的浓度为15mg/m3,氧气的体积浓度为1%,其余为氮气,模拟烟气的流量为400mL/min,反应空速为50000h-1
(3)检测步骤(2)中固定床反应器出口模拟烟气中砷和汞的排放浓度,经催化剂吸附脱除后模拟烟气中砷和汞的脱出率在8h内维持100%。
应用上述再生方法再生催化剂,模拟烟气中的砷和汞的脱除率仍可在6h内维持100%。
实施例4:本实施例用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂,由载体、活性组分组成,其中载体为以锆为中心原子,1,4-对苯二甲酸为连接体的金属有机框架体,活性组分为锰金属氧化物;以质量百分数计,该催化剂中含有锰金属氧化物5%,其余为金属有机框架体;
本实施例用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂的制备方法,具体步骤如下:
(1)将1,4-对苯二甲酸、氯化锆混合均匀,然后加入到N,N-二甲基甲酰胺中,混合均匀得到混合物A;其中1,4-对苯二甲酸、氯化锆的摩尔比为1:1,N,N-二甲基甲酰胺的体积与1,4-对苯二甲酸的摩尔数比mL:mmol为5:1;
(2)在温度为130℃,步骤(1)所得混合物A在聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中反应28h,过滤,所得固体依次采用N,N-二甲基甲酰胺、蒸馏水、甲醇进行清洗,在温度为80℃的真空干燥箱中干燥即得载体金属有机框架体;
(3)在温度为100℃、搅拌条件下,将锰盐(锰盐为氯化锰)、分散剂(分散剂为十六烷基三甲基溴化铵)加入到乙醇中并分散均匀得到Mn离子胶体溶液,其中Mn离子胶体溶液中锰盐的质量为催化剂的5%,分散剂(CTAB)的浓度为3g/L;
(4)将步骤(2)所得载体金属有机框架体浸渍在步骤(3)所得Mn离子胶体溶液中得到混合物B,其中载体金属有机框架体与Mn离子胶体溶液的固液比g:mL为1:30;
(5)在温度为80℃条件下,蒸发去除步骤(4)所得混合物B中的溶剂(乙醇),干燥得到固体C;
(5)在温度为400℃条件下,将步骤(4)所得固体C焙烧5h,压片、研磨、过20目筛得到用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂;
图1为本实施例和实施例1~3所得用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂的不同Mn含量的Mn 2 p XPS峰,从图1可知,随着Mn含量增加,Mn2p峰强度明显增加,这可以归因于覆盖在载体上的锰含量增高;在锰含量较低时,Mn2p的XPS呈现较宽的峰,这个峰大致可以分为两个,主要的Mn3+峰以及较小Mn4+峰;锰含量为15%和20%时,Mn2p的XPS峰变得更宽,并且Mn2+出现,其中Mn2+和Mn3+分别作为反应中主要的相,说明锰金属氧化物含量为15%和20%的催化剂,Mn2+和Mn3+与载体充分反应,由于不同的组分与载体相互反应,Mn含量为15%的催化剂表现出更高的砷汞去除活性;
本实施例用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂在黄磷尾气中砷和汞的应用方法,具体步骤为:
(1)在固定石英床反应器(Φ6mm×70mm)内装填0.2g本实施例制备的用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂;
(2)将步骤(1)中装填有催化剂的固定石英床反应器加热至温度为80℃,将模拟烟气通入固定床反应器内进行催化氧化反应,其中模拟烟气中砷的浓度为120mg/m3,汞的浓度为15mg/m3,氧气的体积浓度为1%,其余为氮气,模拟烟气的流量为400mL/min,反应空速为50000h-1
(3)检测步骤(2)中固定床反应器出口模拟烟气中砷和汞的排放浓度,经催化剂吸附脱除后模拟烟气中砷和汞的脱出率在2h内维持100%。
应用上述再生方法再生催化剂,模拟烟气中的砷和汞的脱除率仍可在1.5h内维持100%。

Claims (7)

1.一种用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂,其特征在于:该催化剂由载体、活性组分组成,其中载体为以铈、锆为中心原子,1,4-对苯二甲酸为连接体的金属有机框架体,活性组分为锰金属氧化物;以质量百分数计,该催化剂中含有锰金属氧化物5~20%,其余为金属有机框架体。
2.权利要求1所述用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂的制备方法,其特征在于,具体步骤如下:
(1)将1,4-对苯二甲酸、氯化锆、氯化铈混合均匀,然后加入到N,N-二甲基甲酰胺中,混合均匀得到混合物A;
(2)在温度为100~140℃、搅拌条件下,步骤(1)所得混合物A反应20~28h,过滤,所得固体依次采用N,N-二甲基甲酰胺、蒸馏水、甲醇进行清洗,真空干燥即得载体金属有机框架体;
(3)在温度为80~100℃、搅拌条件下,将锰盐、分散剂加入到乙醇中并分散均匀得到Mn离子胶体溶液;
(4)将步骤(2)所得载体金属有机框架体浸渍在步骤(3)所得Mn离子胶体溶液中得到混合物B;
(5)蒸发去除步骤(4)所得混合物B中的溶剂,干燥得到固体C;
(5)在温度为300~ 400℃条件下,将步骤(4)所得固体C焙烧3~5h,压片、研磨、过筛得到用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂。
3.根据权利要求2所述用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂的制备方法,其特征在于:步骤(1)中1,4-对苯二甲酸、氯化锆、氯化铈的摩尔比为1:(1-x):x,x为0~0.5。
4.根据权利要求2所述用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂的制备方法,其特征在于:步骤(1)中N,N-二甲基甲酰胺的体积与1,4-对苯二甲酸的摩尔数之比mL:mmol为5:1。
5.根据权利要求2所述用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂的制备方法,其特征在于:步骤(3)中锰盐为醋酸锰、氯化锰、硫酸锰或硝酸锰,分散剂为聚乙烯吡咯烷酮和十六烷基三甲基溴化铵,Mn离子胶体溶液中锰盐的浓度为5~20%,分散剂的浓度为1~3g/L。
6.根据权利要求2所述用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂的制备方法,其特征在于:步骤(4)中载体金属有机框架体与Mn离子胶体溶液的固液比g:mL为1:30。
7.权利要求1所述用于脱除黄磷尾气中砷和汞的催化剂在脱除黄磷尾气中砷和汞的应用。
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