CN107824193B - 一种用于烟气脱硝的Sr2FeTaO6/氧化铝复合催化剂及其制备方法 - Google Patents

一种用于烟气脱硝的Sr2FeTaO6/氧化铝复合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烟气脱硝的Sr2FeTaO6/氧化铝复合催化剂及其制备方法，该催化剂主要由碳酸锶、五氧化二钽和铁粒为原料制成Sr2FeTaO6粉体，再涂覆在载体氧化铝小球表面制得。本发明制备的用于烟气脱硝的Sr2FeTaO6/氧化铝复合催化剂，该复合催化剂为新型材料、结构及环境友好型的含铁SCR催化剂，具有反应窗口温度宽、催化活性高、无污染等优点；该催化剂可以在低温条件下进行脱硝，NO等NOx气体转化率高。同时本发明制备Sr2FeTaO6/氧化铝复合脱硝SCR催化剂的方法，工艺简单、成本低、原料广，具有制备过程易控制以及收率高等优点。

Description

一种用于烟气脱硝的Sr2FeTaO6/氧化铝复合催化剂及其制备 方法
技术领域
本发明属于低温脱硝催化剂技术领域，具体涉及一种用于烟气脱硝的 Sr2FeTaO6/氧化铝复合催化剂及其制备方法。
背景技术
氮氧化物(NOx)包括多种化合物,但主要成分为NO和NO2。人为活动排放的NOx主要是由燃料燃烧及化学工业生产所产生的，例如火力发电厂、化工厂、炼钢厂等有燃料燃烧的固定发生源和机动车等移动发生源。此外，工业生产过程及居民生活也会产生少量NOx。NOx不仅对人体和动植物有很强的毒害作用，还是形成酸雨、雾霾和光化学烟雾的主要原因，亦参与臭氧层的破坏。控制和治理氮氧化物的污染一直是国际环保领域的研究热点，
目前文献报道的NOx控制方法主要有选择性催化还原法(SCR)、吸附法和吸收法等，控制固定源氮氧化物污染最有效、应用最广泛的是SCR脱硝技术。在SCR后处理方法中，SCR催化剂起着决定性的作用。目前此类催化剂通常是以堇青石蜂窝为载体，再在其上涂覆负载SCR催化涂层；或者将催化涂层添加粘结剂直接挤出成蜂窝载体结构。上述所用的催化剂涂层一般为钒基涂层，也即V2O5-WO3/TiO2。上述结构催化剂存在气体在催化剂表面停留时间较短、蜂窝状堇青石的导热性能较差的问题，而且该催化剂存在耐高温性差、易中毒、会对环境造成二次污染等缺点。近年来，铁基催化剂以其较好的低温SCR性能而备受关注，其主要原因可能是催化剂中活性组分主要以孤立铁物种存在。而采用硝酸铁、氯化铁等无机盐制备的铁基分子筛催化剂中孤立的铁物种含量较少，且多以二聚和低聚的铁物种形式存在，而此时的催化剂一般表现出高温脱硝性能。文献(Catal Lett,2008,120：244；催化学报，2012， 33(3)：576-580)分别报道了两种铁的有机物作为前驱体来制备分子筛催化剂。以金属有机物的形式引入活性金属组分可有效的促进活性组分的分散以及提高孤立铁物种含量，从而提高催化剂的低温脱硝活性。因此，开发新型材料、结构及环境友好型的含铁SCR催化剂，使其具有反应窗口温度宽、催化活性高、环境友好的优势在移动源和固定源脱硝方面具有广阔的应用前景。
发明内容
发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于烟气脱硝的Sr2FeTaO6/氧化铝复合催化剂，该复合催化剂为新型材料、结构及环境友好型的含铁SCR催化剂，具有反应窗口温度宽、催化活性高、环境友好的优势在移动源和固定源脱硝方面具有广阔的应用前景。
技术方案：为了实现上述目的，如本发明所述一种用于烟气脱硝的 Sr2FeTaO6/氧化铝复合催化剂，主要由碳酸锶、五氧化二钽和铁粒为原料制成 Sr2FeTaO6粉体，再涂覆在载体氧化铝小球表面制得。
本发明所述的Sr2FeTaO6/氧化铝复合催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将碳酸锶溶解于过量的酸中，充分搅拌，直至沉淀完全消失，然后加入过量氢氧化钠，充分搅拌后，离心洗涤，得到纯净的氢氧化锶固体；
(2)将五氧化二钽和步骤(1)所制备的氢氧化锶加入到氢氧化钠溶液中充分搅拌后，加入纳米铁粉，转移到高压反应釜中；
(3)将步骤(2)高压反应釜进行水热反应，得Sr2FeTaO6粉体；
(4)将Sr2FeTaO6粉体，加入到水中，充分搅拌混合，得到涂覆浆液；
(5)将氧化铝小球在空气气氛中煅烧，使其表面孔道活化；
(6)将经过步骤(5)预处理后的氧化铝小球载体浸渍于步骤(4)制备的涂覆浆液中，然后提出负载有催化涂层的氧化铝小球；
(7)将步骤(6)所制得的负载有催化涂层的氧化铝小球空气气氛中烘干，再反复浸渍-烘干3到5次后煅烧，即得到Sr2FeTaO6/氧化铝复合催化剂。
其中，步骤(1)所述酸为硝酸，硫酸或者盐酸。其中优选盐酸。
其中，步骤(2)所述五氧化二钽、氢氧化锶与氢氧化钠的摩尔比为 0.5～2:2～10:10～50。优选为1：5：20。
步骤(2)所述纳米铁粉的粒径范围为100～1000目，添加量与五氧化二钽的摩尔比为1:1～1:5。其中优选300目，摩尔比为1:2。
其中，步骤(3)所述水热反应升温速率为1～5℃/分钟，加热温度为 400～500℃，时间为8-96小时。优选升温速率为2℃/分钟，加热到温度为400℃，反应48小时。
其中，步骤(5)所述在空气气氛中煅烧温度450～550℃，时间2～5小时。优选500℃下煅烧3小时。
其中，步骤(6)所述氧化铝小球与涂层浆液中Sr2FeTaO6粉体的质量比为1～20％。优选质量比为5％。
步骤(6)所述氧化铝小球载体浸渍于涂层浆液中的浸渍时间为2～10s。优选浸渍时间为5s。
其中，步骤(7)所述烘干温度为80～150℃，时间为2～5小时；所述煅烧的升温速度为5～15℃/min，升温至400～600℃煅烧3～10小时。优选烘干温度为100℃，时间为3小时。优选煅烧的升温速度为10℃/min，升温至500℃煅烧5小时。
本发明中所有原料均是由市售可得。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明制备的用于烟气脱硝的双钙钛矿Sr2FeTaO6/氧化铝复合催化剂，该复合催化剂为新型材料、结构及环境友好型的含铁SCR催化剂，具有反应窗口温度宽、催化活性高、环境友好的优势在移动源和固定源脱硝方面具有广阔的应用前景；该催化剂可以在低温条件下进行脱硝，NO等NOx气体转化率高。NO的转化率可以到75％以上。
(2)本发明制备Sr2FeTaO6脱硝SCR催化剂的方法，工艺简单、
成本低、原料广，具有制备过程易控制以及收率高等优点。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的Sr2FeTaO6粉体催化脱硝材料的SEM图；
图2为本发明实施例1制备的Sr2FeTaO6粉体催化脱硝材料的XRD图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1Sr2FeTaO6/氧化铝复合脱硝催化剂材料的制备及催化脱硝评价
(1)将10g碳酸锶溶解于过量的盐酸中，充分搅拌，直至沉淀完全消失，然后加入过量氢氧化钠，充分搅拌后，将固体物质离心并用蒸馏水充分洗涤，得到纯净的氢氧化锶，烘干；
(2)称取3.62g五氧化二钽和步骤(1)所制备的4.95g氢氧化锶加入到41ml 浓度为4mol/L的氢氧化钠溶液中充分搅拌后，加入0.92g的纳米铁粉(300目)，转移到高压反应釜中；
(3)将步骤(2)高压反应釜转移到马弗炉中进行水热反应，以2℃/min的速率升温至400℃，保温48小时后，自然冷却；用蒸馏水充分洗涤后烘干，得 Sr2FeTaO6粉体；
(4)将Sr2FeTaO6粉体，加入到水中，充分搅拌混合，得到涂覆浆液；
(5)将氧化铝小球在空气气氛中500℃，煅烧3小时，使其表面孔道活化；
(6)将经过步骤(5)预处理后的氧化铝小球载体浸渍于步骤(4)制备的涂覆浆液中，氧化铝与Sr2FeTaO6粉体的质量比质量占比为5％，浸渍停留时间为 5s，然后提出负载有催化涂层的氧化铝小球；
(7)将步骤(6)所制得的负载有催化涂层的氧化铝小球空气气氛中烘干，烘干温度为100℃，时间为3小时；再反复浸渍-烘干4次后，采用马弗炉进行煅烧升温速度为10℃/min，在500℃煅烧5小时，即得到Sr2FeTaO6/氧化铝复合催化剂。其步骤(3)得到的Sr2FeTaO6粉体的SEM图和XRD图如图1 和图2所示，图1为Sr2FeTaO6材料的形貌图，图2说明所制备的材料是 Sr2FeTaO6的复合材料。
活性测试方法：采用固定床反应器进行催化剂性能评价，将制备的 Sr2FeTaO6/氧化铝催化脱硝材料装填入一个石英管反应器中，上下端面用石英棉固定；石英管反应器外包电阻炉以控制反应温度；评价气体采用钢瓶配气，通过质量流量计调节气体组分。评价气体组分如下：NO:500ppm，NH3: 500ppm，O2:10％，H2O：5％，N2为平衡气，空速：50000h-1，反应器出口尾气浓度采用FIX800-NOx氮氧化物气体探测器检测。测试温度范围为150～ 200℃。NO的转化率在86％以上。
实施例2
实施例2与实施例1制备方法相同，不同之处在于：盐酸换成硝酸。
活性测试方法与实施例1相同；NO的转化率在83％以上。
实施例3
实施例3与实施例1制备方法相同，不同之处在于：盐酸换成硫酸。
活性测试方法与实施例1相同；NO的转化率在84％以上。
实施例4
实施例4与实施例1制备方法相同，不同之处在于：步骤(2)称取0.72g五氧化二钽和步骤(1)所制备的4.95g氢氧化锶加入到41ml浓度为4mol/L的氢氧化钠溶液中充分搅拌
活性测试方法与实施例1相同；NO的转化率在75％以上。
实施例5
实施例5与实施例1制备方法相同，不同之处在于：步骤(2)称取3.62g五氧化二钽和1.98g氢氧化锶加入到41ml浓度为4mol/L的氢氧化钠溶液中充分搅拌。
活性测试方法与实施例1相同；NO的转化率在82％以上。
实施例6
实施例6与实施例1制备方法相同，不同之处在于：步骤(2)称取3.62g五氧化二钽和1.98g氢氧化锶加入到41ml浓度为4mol/L的氢氧化钠溶液中充分搅拌。
活性测试方法与实施例1相同；NO的转化率在75％以上。
实施例7
实施例7与实施例1制备方法相同，不同之处在于：步骤(2)称取3.62g五氧化二钽和9.9g氢氧化锶加入到41ml浓度为4mol/L的氢氧化钠溶液中充分搅拌。
活性测试方法与实施例1相同；NO的转化率在80％以上。
实施例8
实施例4与实施例1制备方法相同，不同之处在于：步骤(2)称取3.62g五氧化二钽和4.95g氢氧化锶加入到41ml浓度为8mol/L的氢氧化钠溶液中充分搅拌。
活性测试方法与实施例1相同；NO的转化率在82％以上。
实施例9
(1)将10g碳酸锶溶解于过量的盐酸中，充分搅拌，直至沉淀完全消失，然后加入过量氢氧化钠，充分搅拌后，将固体物质离心并用蒸馏水充分洗涤，得到纯净的氢氧化锶，烘干；
(2)称取五氧化二钽和步骤(1)所制备的氢氧化锶加入到的氢氧化钠溶液中充分搅拌后，五氧化二钽、氢氧化锶与氢氧化钠的摩尔比1:4:20；加入100 目的纳米铁粉，纳米铁粉与五氧化二钽的摩尔比为1:5；转移到高压反应釜中；
(3)将步骤(2)高压反应釜转移到马弗炉中进行水热反应，以1℃/min的速率升温至400℃，保温96小时后，自然冷却；用蒸馏水充分洗涤后烘干，得 Sr2FeTaO6粉体；
(4)将Sr2FeTaO6粉体，加入到水中，充分搅拌混合，得到涂覆浆液；
(5)将氧化铝小球在空气气氛中450℃，煅烧5小时，使其表面孔道活化；
(6)将经过步骤(5)预处理后的氧化铝小球载体浸渍于步骤(4)制备的涂覆浆液中，氧化铝与Sr2FeTaO6粉体的质量比为1％，浸渍停留时间为2s，然后提出负载有催化涂层的氧化铝小球；
(7)将步骤(6)所制得的负载有催化涂层的氧化铝小球空气气氛中烘干，烘干温度为80℃，时间为5小时；再反复浸渍-烘干3次后，采用马弗炉进行煅烧升温速度为5℃/min，在400℃煅烧10小时，即得到Sr2FeTaO6/氧化铝复合催化剂。
活性测试方法与实施例1相同；NO的转化率在83％以上。
实施例10
(1)将10g碳酸锶溶解于过量的盐酸中，充分搅拌，直至沉淀完全消失，然后加入过量氢氧化钠，充分搅拌后，将固体物质离心并用蒸馏水充分洗涤，得到纯净的氢氧化锶，烘干；
(2)称取五氧化二钽和步骤(1)所制备的氢氧化锶加入到的氢氧化钠溶液中充分搅拌后，五氧化二钽、氢氧化锶与氢氧化钠的摩尔比1:5:25；加入1000 目的纳米铁粉，纳米铁粉与五氧化二钽的摩尔比为1:1；转移到高压反应釜中；
(3)将步骤(2)高压反应釜转移到马弗炉中进行水热反应，以5℃/min的速率升温至500℃，保温8小时后，自然冷却；用蒸馏水充分洗涤后烘干，得 Sr2FeTaO6粉体；
(4)将Sr2FeTaO6粉体，加入到水中，充分搅拌混合，得到涂覆浆液；
(5)将氧化铝小球在空气气氛中550℃，煅烧2小时，使其表面孔道活化；
(6)将经过步骤(5)预处理后的氧化铝小球载体浸渍于步骤(4)制备的涂覆浆液中，氧化铝与Sr2FeTaO6粉体的质量比为20％，浸渍停留时间为10s，然后提出负载有催化涂层的氧化铝小球；
(7)将步骤(6)所制得的负载有催化涂层的氧化铝小球空气气氛中烘干，烘干温度为150℃，时间为2小时；再反复浸渍-烘干5次后，采用马弗炉进行煅烧升温速度为15℃/min，在600℃煅烧3小时，即得Sr2FeTaO6/氧化铝复合催化剂。
活性测试方法与实施例1相同；NO的转化率在85％以上。
实施例11
实施例11与实施例1制备方法相同，不同之处在于：将步骤(2)高压反应釜转移到马弗炉中进行水热反应，以5℃/min的速率升温至450℃，保温48小时后，自然冷却；用蒸馏水充分洗涤后烘干，得Sr2FeTaO6粉体。
活性测试方法与实施例1相同；NO的转化率在82％以上。

Claims (10)

1.一种用于烟气脱硝的Sr2FeTaO6/氧化铝复合催化剂，其特征在于，主要由碳酸锶、五氧化二钽和铁粒为原料制成Sr2FeTaO6粉体，再涂覆在载体氧化铝小球表面制得；所述Sr2FeTaO6/氧化铝复合催化剂由以下步骤制得：
(1)将碳酸锶溶解于过量的酸中，充分搅拌，直至沉淀完全消失，然后加入过量氢氧化钠，充分搅拌后，离心洗涤，得到纯净的氢氧化锶固体；
(2)将五氧化二钽和步骤(1)所制备的氢氧化锶加入到氢氧化钠溶液中充分搅拌后，加入纳米铁粉，转移到高压反应釜中；
(3)将步骤(2)高压反应釜进行水热反应，得Sr2FeTaO6粉体；
(4)涂覆浆液的制备：将Sr2FeTaO6粉体，加入到水中，充分搅拌混合，得到涂覆浆液；
(5)氧化铝预处理：将氧化铝小球在空气气氛中煅烧，使其表面孔道活化；
(6)浸渍：将经过步骤(5)预处理后的氧化铝小球载体浸渍于步骤(4)制备的涂覆浆液中，然后提出负载有催化涂层的氧化铝小球；
(7)烘干焙烧：将步骤（6）所制得的负载有催化涂层的氧化铝小球空气气氛中烘干，再反复浸渍-烘干后煅烧，即得到Sr2FeTaO6/氧化铝复合催化剂。
2.一种权利要求1所述的用于烟气脱硝的Sr2FeTaO6/氧化铝复合催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将碳酸锶溶解于过量的酸中，充分搅拌，直至沉淀完全消失，然后加入过量氢氧化钠，充分搅拌后，离心洗涤，得到纯净的氢氧化锶固体；
(2)将五氧化二钽和步骤(1)所制备的氢氧化锶加入到氢氧化钠溶液中充分搅拌后，加入纳米铁粉，转移到高压反应釜中；
(3)将步骤(2)高压反应釜进行水热反应，得Sr2FeTaO6粉体；
(4)涂覆浆液的制备：将Sr2FeTaO6粉体，加入到水中，充分搅拌混合，得到涂覆浆液；
(5)氧化铝预处理：将氧化铝小球在空气气氛中煅烧，使其表面孔道活化；
(6)浸渍：将经过步骤(5)预处理后的氧化铝小球载体浸渍于步骤(4)制备的涂覆浆液中，然后提出负载有催化涂层的氧化铝小球；
(7)烘干焙烧：将步骤（6）所制得的负载有催化涂层的氧化铝小球空气气氛中烘干，再反复浸渍-烘干后煅烧，即得到Sr2FeTaO6/氧化铝复合催化剂。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述酸为硝酸，硫酸或者盐酸。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述五氧化二钽、氢氧化锶与氢氧化钠的摩尔比为0.5~2:2~10:10~50。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述纳米铁粉的粒径范围为100~1000目，添加量与五氧化二钽的摩尔比为1:1~1:5。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述水热反应升温速率为1~5℃/分钟，加热温度为400~500℃，时间为8-96小时。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（5）所述在空气气氛中煅烧温度450~550℃，时间2~5小时。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（6）所述氧化铝小球与涂层浆液中Sr2FeTaO6粉体的质量比为1~20%。
9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（6）所述氧化铝小球载体浸渍于涂层浆液中的浸渍时间为2~10s。
10.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（7）所述烘干温度为80~150℃，时间为2~5小时；所述煅烧的升温速度为5~15℃/min，升温至400~600℃煅烧3~10小时。
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CATALYTIC COMBUSTION OF METHANE OVER UNSUPPORTED AND γ-Al2O3 SUPPORTED Sr2FeTaO6 and Sr2Fe0.7Co0.3TaO6 DOUBLE PEROVSKITES;Ionel POPESCU et al.;《Revue Roumaine de Chimie》;20091231;第54卷(第11-12期);第1111-1117页 *

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