CN108654680B - 一种制备Cu-SSZ-13催化剂的浸渍-低温固态离子交换法及催化剂的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种制备Cu‑SSZ‑13脱硝催化剂的浸渍‑低温固态离子交换法,即通过浸渍实现Cu盐前驱体与SSZ‑13分子筛的混合,再经低温焙烧,发生低温固态离子交换,实现催化剂的活化,从而制备出高活性的Cu‑SSZ‑13催化剂。本工艺具有如下的优点:(1)显著缩短制备周期;(2)明显降低焙烧活化温度;(3)大幅减少制备过程的废水排放;(4)制得的催化剂具有可比拟传统溶液离子交换法Cu‑SSZ‑13的SCR催化活性。
Description
技术领域
本发明属于脱硝催化剂制备技术领域,特别涉及一种制备Cu-SSZ-13催化剂的浸渍-低温固态离子交换法,制得的催化剂主要适用于柴油机(柴油车、船舶、小通机等)尾气氨法选择性催化还原脱硝(NH3-SCR)。
背景技术
柴油车具有良好的动力性能和燃油经济性,符合节能减排的时代大背景。然而,占我国机动车保有量仅14%的柴油车排放的氮氧化物(NOx)占我国机动车排放总量的70%,是造成我国大范围严重灰霾污染的元凶之一。另外,小型通用柴油机和船舶发动机燃烧的也是柴油或重油,同样存在富氧环境尾气中氮氧化物脱除的问题。氨法选择性催化还原脱硝(NH3-SCR)是以氨气为还原剂,在富氧尾气中实现NOx还原消除的方法。Cu-SSZ-13是一种能够满足国VI排放标准要求的先进SCR催化剂,具有优异的催化活性、N2选择性和水热稳定性。
目前通行的Cu-SSZ-13制备方法是溶液离子交换法,例如根据专利CN 107115888A的报道,首先用硝酸铵溶液对Na型或H型SSZ-13分子筛进行离子交换,再进行Cu离子交换,最后经焙烧活化得到Cu-SSZ-13催化剂。此工艺有步骤繁琐、耗时长、产生大量废水、能耗高等缺点。专利WO 2014/090698 A1报道了一种利用含Cu络合物作为共模板剂一锅法制备Cu-SSZ-13催化剂的方法,专利CN 103157505 A报道了一种用酸液处理一锅法Cu-SSZ-13催化剂的方法。然而,一锅法难以精确控制催化剂的Cu负载量,且一锅法催化剂的后处理过程会产生大量有害废液。D.Wang等(ChemCatChem.2014,6:1579-1583)报道了一种高温固态离子交换制备Cu-SSZ-13的方法,将NH4型SSZ-13分子筛与CuO粉末混合,在700或800℃焙烧16小时,得到Cu-SSZ-13催化剂。然而高温固态离子交换法存在耗时长、能耗高的缺点,且高温煅烧会对SSZ-13分子筛的结构造成一定破坏,影响催化剂的耐久性。专利WO 2014/090698 A1报道了一种低温固态离子交换法,将分子筛粉末和CuO粉末混合,在250℃下于含NH3气氛中焙烧10小时,得到Cu基分子筛催化剂。该方法仍然存在耗时长的缺点,且NH3是有毒气体,不适用于大规模生产。
发明内容
针对现有Cu-SSZ-13催化剂制备工艺存在的种种问题,本发明的目的在于提供一种制备Cu-SSZ-13催化剂的浸渍-低温固态离子交换法,能够极大地缩短Cu-SSZ-13催化剂的制备周期,降低制备成本,减少制备过程的三废排放,所制备的催化剂的SCR催化活性可比拟传统工艺制备的催化剂,适用于柴油机尾气NH3-SCR脱硝。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种制备Cu-SSZ-13催化剂的浸渍-低温固态离子交换法,利用浸渍法将SSZ-13分子筛与Cu盐前驱体混合,随后在空气或含氧气氛下低温焙烧,焙烧过程中发生低温固态离子交换,通过固态离子交换实现催化剂的活化。该催化剂以Cu为主要活性物种,以SSZ-13分子筛为载体。可用于柴油机(柴油车、船舶、小通机)等移动源以及火电厂等固定源的尾气氨法选择性催化还原脱硝(NH3-SCR)。
所述SSZ-13分子筛可为H型SSZ-13分子筛、NH4型SSZ-13分子筛、含有有机模板剂和表面活性剂的SSZ-13分子筛、含有K+/Na+离子的SSZ-13分子筛、金属阳离子交换/金属氧化物负载的SSZ-13分子筛或骨架含掺杂元素修饰的SSZ-13分子筛。
所述Cu盐前驱体可为硝酸铜、乙酸铜、硫酸铜、氯化铜、氟化铜、氯酸铜、高氯酸铜、乙酰丙酮铜中的任意一种或至少两种的混合物,可为无水盐和/或水合物。优选为硝酸铜、乙酸铜及硝酸铜、乙酸铜的水合物。
所得催化剂中,Cu负载量为催化剂总质量的0.1%-10%,优选1%-5%,进一步优选1.5%-3.5%。
所述浸渍法为等体积浸渍法、过量浸渍法、浸渍沉淀法或蒸干溶剂浸渍法,浸渍温度0-100℃,浸渍压力0-1个大气压,浸渍后进行加热干燥或真空干燥。优选采用60℃旋转蒸发浸渍法或等体积浸渍法
所述低温焙烧温度200-400℃,优选275-350℃,进一步优选300℃;时间0.1-10小时,优选0.5-2小时,在氧气体积分数5%-100%的气氛下进行,优选含氧气20%-22%的气氛(即空气气氛)。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)本制备工艺极大地缩短了Cu-SSZ-13催化剂的制备周期,从传统溶液离子交换法的数天缩短到1天,将焙烧时间从其他固态离子交换法的10小时以上缩短到2小时以内。
(2)本制备工艺免于高温焙烧过程,能够降低生产能耗,且避免了催化剂因暴露于高温环境而产生结构损伤。
(3)本制备工艺几乎不产生废液,尤其是不产生含无机酸或硝酸铵的废液。
(4)通过本制备工艺得到的Cu-SSZ-13催化剂具有可比拟传统溶液离子交换法制得的Cu-SSZ-13催化剂的SCR活性。
附图说明
图1为本发明的实施例1的催化剂与对比例1、2的催化剂的NOx转化率对比图。
图2为本发明的使用不同前驱体和浸渍工艺制备的催化剂的NOx转化率图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果,以下结合具体实施例以及附图详予说明。本领域技术人员应该明了,所列举的实施例仅用于帮助理解本发明,不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例采用的Cu盐前驱体为一水合乙酸铜(Cu(CH3COO)2·H2O),Cu负载量为2%质量分数,采用的浸渍方法为旋转蒸发浸渍法,使用H型SSZ-13分子筛作为载体,焙烧条件为在空气气氛下300℃焙烧半小时。
具体过程如下:称取0.0625g一水合乙酸铜,溶于10mL去离子水中,与1g H型SSZ-13分子筛粉末混合加入茄型瓶中,于室温下搅拌5min,随后置于旋转蒸发仪上,60℃真空蒸干。收集所得粉末,置于烘箱内110℃烘干,在马弗炉中于300℃焙烧半小时。所得的催化剂命名为Cu-SSZ-13低温固态离子交换-1。将所得催化剂造粒至50-80目,测试NH3-SCR活性。
实施例2
本实施例采用的Cu盐前驱体为一水合乙酸铜(Cu(CH3COO)2·H2O),Cu负载量为2%质量分数,采用的浸渍方法为等体积浸渍法,使用H型SSZ-13分子筛作为载体,焙烧条件为在空气气氛下300℃焙烧半小时。
具体过程如下:称取0.0625g一水合乙酸铜,于60℃下溶于0.68mL去离子水中,与1g H型SSZ-13分子筛粉末搅拌混合,溶液被分子筛完全吸收,得到糊状物。将所得糊状物置于烘箱内110℃烘干,在马弗炉中于300℃焙烧半小时。所得的催化剂命名为Cu-SSZ-13低温固态离子交换-2。将所得催化剂造粒至50-80目,测试NH3-SCR活性。
实施例3
本实施例采用的Cu盐前驱体为三水合硝酸铜(Cu(NO3)2·3H2O),Cu负载量为2%质量分数,采用的浸渍方法为旋转蒸发浸渍法,使用H型SSZ-13分子筛作为载体,焙烧条件为在空气气氛下300℃焙烧半小时。
具体过程如下:称取0.0755g三水合硝酸铜,溶于10mL去离子水中,与1g H型SSZ-13分子筛粉末混合加入茄型瓶中,于室温下搅拌5min,随后置于旋转蒸发仪上,60℃真空蒸干。收集所得粉末,置于烘箱内110℃烘干,在马弗炉中于300℃焙烧半小时。所得的催化剂命名为Cu-SSZ-13低温固态离子交换-3。将所得催化剂造粒至50-80目,测试NH3-SCR活性。
实施例4
本实施例采用的Cu盐前驱体为三水合硝酸铜(Cu(NO3)2·3H2O),Cu负载量为2%质量分数,采用的浸渍方法为等体积浸渍法,使用H型SSZ-13分子筛作为载体,焙烧条件为在空气气氛下300℃焙烧半小时。
具体过程如下:称取0.0755g三水合硝酸铜,溶于0.68mL去离子水中,与1g H型SSZ-13分子筛粉末搅拌混合,溶液被分子筛完全吸收,得到糊状物。将所得糊状物置于烘箱内110℃烘干,在马弗炉中于300℃焙烧半小时。所得的催化剂命名为Cu-SSZ-13低温固态离子交换-4。将所得催化剂造粒至50-80目,测试NH3-SCR活性。
对比例1
本对比例采用传统的溶液离子交换法,类似于专利CN 107115888A实施例2所报道的方法,首先对H型SSZ-13分子筛进行硝酸铵交换,得到NH4型SSZ-13分子筛,随后进行Cu离子交换,控制Cu盐溶液浓度和交换时间,将Cu负载量调控到约2%质量分数,最后焙烧活化。
具体过程如下:配置10mL 2mol/L的硝酸铵溶液,投入1g H型SSZ-13分子筛粉末,于80℃搅拌2h,随后离心分离固体并用去离子水洗涤三次,将所得固体置于烘箱内110℃干燥过夜。硝酸铵离子交换共进行两次,得到NH4型SSZ-13分子筛粉末。配置10mL 0.1mol/L的乙酸铜溶液并加热至60℃,投入1g NH4型SSZ-13分子筛粉末,于60℃搅拌1h,随后离心分离固体并用去离子水洗涤三次。将所得固体置于烘箱内110℃干燥过夜,在马弗炉中于550℃焙烧5h,所得的催化剂命名为Cu-SSZ-13溶液离子交换。将所得催化剂造粒至50-80目,测试NH3-SCR活性。
对比例2
本对比例采用机械混合法。称取0.0625g一水合乙酸铜,在研钵中与1gH型SSZ-13粉末研磨混合均匀,将所得混合物置于烘箱内110℃干燥过夜,在马弗炉中于550℃焙烧2h,所得的催化剂命名为Cu-SSZ-13机械混合。将所得催化剂造粒至50-80目,测试NH3-SCR活性。
分别将上述各催化剂在模拟柴油机尾气条件下进行NH3-SCR活性测试。具体测试方法为:将0.25g催化剂颗粒置于固定床反应器中,通入模拟柴油机尾气,模拟配气包含500ppm NO、500ppm NH3、5%O2、5%H2O,N2平衡,体积空速120,000h-1,测试温度范围为150-550℃。使用NICOLET红外气体分析仪在线检测尾气中的NO、NO2和N2O浓度,得到NOx转化率随反应温度的变化,如图1和2所示。
NOx转化率定义为:
由图1可知,利用本发明提出的浸渍-低温固态离子交换工艺制备的Cu-SSZ-13催化剂,具有可与溶液离子交换法Cu-SSZ-13催化剂(有相近的Cu负载量)比拟的SCR催化活性,证明了本方法对于制备柴油机用Cu-SSZ-13脱硝催化剂的适用性。Cu-SSZ-13低温固态离子交换-1的活性显著高于机械混合法制备的Cu-SSZ-13机械混合样,证明了浸渍过程对于均匀混合Cu盐前驱体和SSZ-13分子筛从而得到高活性催化剂的重要性。
由图2可知,无论采用一水合乙酸铜还是三水合硝酸铜作为Cu盐前驱体,也无论采用旋转蒸发浸渍法还是等体积浸渍法,所制得的Cu-SSZ-13催化剂均具有优异的SCR活性,证明了本发明提出的浸渍-低温固态离子交换法具有普适性。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利保护范围,凡是利用本发明说明书内容及附图所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.浸渍-低温固态离子交换法制备的Cu-SSZ-13催化剂用于尾气氨法选择性催化还原脱硝NH3-SCR的应用,其中,所述Cu-SSZ-13催化剂的制备过程是:利用浸渍法将SSZ-13分子筛与Cu盐前驱体混合,随后在空气或含氧气氛下低温焙烧,低温焙烧温度200-400 ℃,焙烧过程中发生低温固态离子交换,通过固态离子交换实现催化剂的活化。
2.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,所述SSZ-13分子筛为H型SSZ-13分子筛、NH4型SSZ-13分子筛、含有K+/Na+离子的SSZ-13分子筛、金属氧化物负载的SSZ-13分子筛或骨架含掺杂元素修饰的SSZ-13分子筛。
3.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,所述Cu盐前驱体为硝酸铜、乙酸铜、硫酸铜、氯化铜、氟化铜、氯酸铜、高氯酸铜、乙酰丙酮铜中的任意一种或至少两种的混合物。
4.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,所述Cu盐前驱体为无水盐和/或水合物。
5.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,所述Cu盐前驱体为硝酸铜、乙酸铜及硝酸铜、乙酸铜的水合物。
6.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,所得催化剂中,Cu负载量为催化剂总质量的0.1%-10%。
7.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,所述浸渍法为等体积浸渍法、过量浸渍法、浸渍沉淀法或蒸干溶剂浸渍法,浸渍温度0-100℃,浸渍压力0-1个大气压,浸渍后进行加热干燥或真空干燥。
8.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,所述浸渍法采用60 ℃旋转蒸发浸渍法或等体积浸渍法。
9.根据权利要求1所述的应用,其特征在于,所述低温焙烧时间0.1-10小时,在氧气体积分数5%-100%的气氛下进行。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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