CN109433256A - 一种Cu/Mn-SSZ-39催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种Cu/Mn-SSZ-39催化剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Cu/Mn‑SSZ‑39催化剂及其制备方法和应用,其特征在于,所述催化剂以H‑SSZ‑39分子筛为载体,活性组分为铜元素和锰元素。通过铜和锰之间的相互协同作用,该催化剂在150℃时的脱硝率为42%~66%,在200℃~420℃时的脱硝率高达100%,在150~500℃表现出优异的SCR活性。本发明通过离子交换法制备得到的Cu/Mn‑SSZ‑39催化剂不仅具备低温活性,脱硝率较高,还具有较宽的活性温度窗口,且制备方法简单,完全能够用于催化还原氮氧化物,可以消除柴油车尾气中的氮氧化物,适用于柴油车尾气净化系统中。

Description

一种Cu/Mn-SSZ-39催化剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及环境催化技术领域,更具体地,涉及一种Cu/Mn-SSZ-39催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
随着人们对机动车的需求量的增加,柴油车尾气排放量日益增多,NOx是柴油车尾气中的主要污染物,NOx的大量排放致使许多地区出现酸雨、雾霾等等,对人体和生态环境都造成了不利影响。目前以NH3为还原剂的选择性催化还原(NH3-SCR)技术是消除NOx的惯用手段,其中常用的NH3-SCR催化剂有为钒钨钛催化剂(V2O5-WO3/TiO2),但该催化剂低温活性差、活性温度窗口窄,而且其活性组分钒具有毒性,危机人体安全和生态环境,不利于实际生产应用。
因此,提供一种环保高效的新型催化剂尤为重要。
发明内容
本发明的首要目的是克服上述现有技术中催化剂低温活性差、活性温度窗口窄的缺陷,提供一种Cu/Mn-SSZ-39催化剂,该催化剂以H-SSZ-39分子筛作为载体,并通过铜元素和锰元素的协同作用,提高了催化剂的低温催化活性,具备优异的SCR脱硝活性,且90%脱硝率下的温度窗口为183~432℃,具有较宽的活性温度窗口。
本发明的进一步目的是提供一种Cu/Mn-SSZ-39催化剂的制备方法。
本发明的又一目的是提供一种Cu/Mn-SSZ-39催化剂的应用。
本发明上述目的通过以下技术方案实现:
一种Cu/Mn-SSZ-39催化剂,所述催化剂以H-SSZ-39分子筛为载体,活性组分为铜元素和锰元素。
本发明所述Cu/Mn-SSZ-39催化剂以H-SSZ-39分子筛为载体,相比于Cu-ZSM-5、Cu-β等中孔、大孔分子筛,SSZ-39(AEI型)的微孔结构可以抑制骨架脱铝形成铜-铝酸盐,有利于提高催化剂的活性。SSZ-39(AEI型)的结构中含有六元环,并有由三个小八元环(8-R)连接的大笼,铜元素优先位于与双六元环骨架单元中的中三个氧原子配位的CHA笼中,能够显着提高催化剂的热稳定性。另外,Cu-SSZ-39比Cu-SSZ-13具有更优异的水热稳定性,再通过进一步引入锰元素有助于提高催化剂的低温活性,对于脱硝性能也有所提升。
优选地,所述铜元素的负载量为0.5~4%,锰元素的负载量为0.1~1%。
更优选地,所述铜元素的负载量为1.5%,锰元素的负载量为0.5%。
一种Cu/Mn-SSZ-39催化剂的制备方法,包括以下步骤:将铜源和锰源按摩尔比12:3~18混合,加入NH4 +-SSZ-39分子筛与混合溶液进行离子交换反应,过滤,水洗至中性,于500~600℃焙烧3~5h,得到Cu/Mn-SSZ-39催化剂。
优选地,所述铜源和锰源的摩尔比为3:2。
本发明所述铜源为乙酸铜或硝酸铜,锰源为乙酸锰或硝酸锰。
优选地,所述焙烧温度为550℃,焙烧时间为4h。
优选地,所述混合溶液的总浓度为0.1~0.2mol/L。
优选地,所述离子交换温度为室温,离子交换时间为12~24h。
优选地,所述NH4 +-SSZ-39分子筛通过将H-SSZ-39分子筛和铵盐溶液混合进行离子交换反应,过滤,水洗至中性,焙烧得到。
优选地,所述离子交换反应条件为:H-SSZ-39分子筛和铵盐溶液的固液比为0.5~2:50~200g/mL,反应温度为70~85℃,例如:71℃、72℃、73℃、74℃、75℃、76℃、77℃、78℃、79℃、80℃、81℃、82℃、83℃、84℃、85℃。
优选地,所述离子交换反应时间为12h。
优选地,所述铵盐溶液的浓度为0.1~1mol/L。例如:0.1mol/L、0.2mol/L、0.3mol/L,0.4mol/L、0.5mol/L、0.6mol/L、0.7mol/L、0.8mol/L、0.9mol/L、1mol/L。
本发明所述铵盐溶液为乙酸铵或硝酸铵溶液。
优选地,所述H-SSZ-39分子筛通过将Y720分子筛、有机模板剂、氢氧化钠、水按质量比11~12:22~24:7~8:19~20混合进行均相反应,晶化,过滤,水洗至中性,干燥,焙烧得到。
本发明所述有机模板剂为N,N-二甲基-3,5-二甲基哌啶鎓。
所述均相反应在均相反应釜中进行,所述晶化温度为135~150℃,晶化时间为7~9天,例如:7d、8d、9d,干燥温度为100℃,干燥时间为12h,焙烧温度为500~600℃,焙烧时间为3~5h。
优选地,所述焙烧温度为550℃,焙烧时间为4h。
一种上述Cu/Mn-SSZ-39催化剂在催化还原氮氧化物中的应用也在本发明的保护范围之内。本发明通过离子交换法制得的Cu/Mn-SSZ-39催化剂具有良好的低温NH3-SCR催化活性,较宽的活性温度窗口,该催化剂在温度为200℃~420℃时的脱硝率高达100%,能够用于催化还原氮氧化物。
本发明所述Cu/Mn-SSZ-39催化剂还可以用于消除柴油车尾气中的氮氧化物,能够应用于柴油车尾气净化系统中。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
本发明提供了一种Cu/Mn-SSZ-39催化剂及其制备方法,所述催化剂以H-SSZ-39分子筛为载体,活性组分铜元素的负载量为0.5~4%,锰元素的负载量为0.1~1.2%。通过铜和锰之间的相互协同作用,该催化剂在150℃时的脱硝率为42%~66%,在200℃~420℃时的脱硝率高达100%,在150~500℃表现出优异的SCR活性,且90%脱硝率下的温度窗口为183~432℃。本发明通过离子交换法制备得到的Cu/Mn-SSZ-39催化剂不仅具备低温活性,脱硝率较高,还具有较宽的活性温度窗口,且制备方法简单,完全能够用于催化还原氮氧化物,可以消除柴油车尾气中的氮氧化物,适用于柴油车尾气净化系统中。
附图说明
图1为实施例6~8和对比例1~2所述催化剂以及H-SSZ-39分子筛载体的XRD图。
图2为实施例6~8和对比例1~2所述催化剂NH3-SCR反应活性图。
具体实施方式
为了更清楚、完整的描述本发明的技术方案,以下通过具体实施例进一步详细说明本发明,应当理解,此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明,并不用于限定本发明,可以在本发明权利限定的范围内进行各种改变。
以下实施例和对比例中所用的试剂,如无特殊说明,均为分析纯级。
实施例1
一种Cu/Mn-SSZ-39催化剂,所述催化剂以H-SSZ-39分子筛为载体,活性组分为铜元素和锰元素,所述铜元素的负载量为0.5%,锰元素的负载量为0.1%。
实施例2
一种Cu/Mn-SSZ-39催化剂,所述催化剂以H-SSZ-39分子筛为载体,活性组分为铜元素和锰元素,所述铜元素的负载量为2.3%,锰元素的负载量为0.7%。
实施例3
一种Cu/Mn-SSZ-39催化剂,所述催化剂以H-SSZ-39分子筛为载体,活性组分为铜元素和锰元素,所述铜元素的负载量为1.5%,锰元素的负载量为0.5%。
实施例4
一种Cu/Mn-SSZ-39催化剂,所述催化剂以H-SSZ-39分子筛为载体,活性组分为铜元素和锰元素,所述铜元素的负载量为3.8%,锰元素的负载量为0.3%。
实施例5
一种Cu/Mn-SSZ-39催化剂,所述催化剂以H-SSZ-39分子筛为载体,活性组分为铜元素和锰元素,所述铜元素的负载量为0.8%,锰元素的负载量为1.2%。
实施例6
一种Cu/Mn-SSZ-39催化剂的制备方法,包括以下步骤:
S1.将Y720分子筛、有机模板剂N,N-二甲基-3,5-二甲基哌啶鎓、氢氧化钠、水按质量比11.8:23.3:8.0:20.0混合进行均相反应,于150℃晶化8天,过滤,水洗至中性,于100℃干燥12h,550℃条件下焙烧4h,得到H-SSZ-39分子筛;
S2.将S1中H-SSZ-39分子筛和0.1mol/L的乙酸铵或硝酸铵溶液按固液比1:200g/mL混合,于80℃下离子交换反应12h,过滤,水洗至中性,550℃条件下焙烧4h,得到NH4 +-SSZ-39分子筛;
S3.按摩尔比3:2配制乙酸铜和乙酸锰的混合溶液,所述混合溶液总浓度为0.2mol/L,再加入S2中所述NH4 +-SSZ-39分子筛与混合溶液在室温下离子交换反应24h,过滤,水洗至中性,550℃条件下焙烧4h,得到Cu/Mn-SSZ-39催化剂。
实施例7~10
一种Cu/Mn-SSZ-39催化剂的制备方法,与实施例6基本相同,具体区别工艺参数见表1。
如表1,其中A为乙酸铜和乙酸锰的摩尔比,B为H-SSZ-39分子筛和乙酸铵溶液的固液比(g/mL),C为乙酸铵溶液的浓度(mol/L)。
表1
项目 A B C
实施例6 3:2 1:200 0.1
实施例7 2:3 1:200 0.1
实施例8 4:1 1:200 0.1
实施例9 3:2 1:50 0.1
实施例10 3:2 1:200 1
对比例1
一种Cu-SSZ-39催化剂,与实施例1基本相同,其区别在于,所述催化剂的活性组分不含锰元素。
对比例2
一种Mn-SSZ-39催化剂,与实施例1基本相同,其区别在于,所述催化剂的活性组分不含铜元素。
对比例3~8
一种Cu/Mn-SSZ-39催化剂的制备方法,与实施例6基本相同,具体区别工艺参数见表2。
如表2,其中A为乙酸铜和乙酸锰的摩尔比,B为H-SSZ-39分子筛和乙酸铵溶液的固液比(g/mL),C为乙酸铵溶液的浓度(mol/L)。
表2
项目 A B C
对比例3 12:1 1:200 0.1
对比例4 3:5 1:200 0.1
对比例5 3:2 0.5:210 0.1
对比例6 3:2 2:45 0.1
对比例7 3:2 1:200 0.05
对比例8 3:2 1:200 2
性能测试与结果:
本发明采用德国Bruker公司D8ADVANCE X射线衍射仪对实施例6~8和对比例1~2所述催化剂以及H-SSZ-39分子筛载体进行了XRD分析,结果如图1所示。从图中可以看出,在XRD图上并未发现归属于铜和锰的氧化物的特征峰,说明了Mn和Cu可能以离子状态存在于分子筛笼内,或生成了无定型的氧化物,同时氧化物均匀的分散在催化剂表面,颗粒较小。
对本发明所述实施例和对比例进行氮氧化物氨气选择性还原反应活性测试,所述测试方法包括以下步骤:分别将上述实施例和对比例制得的催化剂压片,研碎,过筛至粒径为50目,取0.2g所述催化剂装入内径为8mm的石英管固定床反应器内,并与0.45g石英砂混合均匀,室温下通入氦气吹扫1h后以除去管路和气体池中的空气,之后进行氮氧化物氨气选择性还原反应活性测试(NH3-SCR测试),反应稳定后,对反应原料及产物在线分析。所述活性测试条件为:[NO]=[NH3]=500ppm,[O2]=5%,氩气作为平衡气。气体总流量为700mL/min,反应温度为50~550℃,升温速率为4℃/min,空速:84000h-1
催化剂的NH3-SCR测试采用脱硝率来评价:
脱硝率=100%×(1-([NO]out+[NO2]out)/([NO]in+[NO2]in))。
对上述实施例和对比例的NH3-SCR测试结果如表3。
表3
从表3中可以看出实施例1~5所述Cu/Mn-SSZ-39催化剂的脱硝率与铜和锰的负载量有关,铜的负载量在1.5%,锰的负载量在0.5%时催化剂的SCR活性最佳。对比例3和对比例4改变了乙酸铜和乙酸锰的摩尔比,发现乙酸锰过量时,脱硝活性有所下降,可能是由于锰过多时堵住了分子筛的孔道导致比面积降低。对比例6~8改变了H-SSZ-39和乙酸铵的固液比以及乙酸铵溶液的浓度,实验对比发现在固液比为1:200、乙酸铵浓度为0.1mol/L时,NH3-SCR活性最好。
为直观观察铜元素和锰元素负载量对NH3-SCR活性的影响,图2给出了实施例6~8和对比例1和对比例2所述催化剂的NH3-SCR活性测试结果。从图2可以看出,对比例1所述Cu-SSZ-39催化剂在150℃时的脱硝率仅为30%,对比例2所述Mn-SSZ-39催化剂在150℃时的脱硝率仅为34%,实施例6~8所述Cu/Mn-SSZ-39催化剂在150℃时的脱硝率为42%~66%,明显好于对比例1和2。进一步观察实施例6~8所述催化剂的NH3-SCR活性测试结果可以发现,实施例7和8所述催化剂在150℃时的脱硝率分别为56%和42%,90%脱硝率下的温度窗口分别为188~410℃和197~424℃,而实施例6所述催化剂在150℃的脱硝率可达66%,90%脱硝率下的温度窗口为183~432℃,均优于实施例7和8,且实施例6所述催化剂在183℃的脱硝率高达90%,由此可知,实施例6所述Cu/Mn-SSZ-39催化剂(即乙酸铜和乙酸锰的摩尔比为3:2时)表现出最好的低温脱硝活性以及最宽的活性温度窗口。
显然,本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。本领域技术人员应当理解,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动,这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种Cu/Mn-SSZ-39催化剂,其特征在于,所述催化剂以H-SSZ-39分子筛为载体,活性组分为铜元素和锰元素。
2.如权利要求1所述催化剂,其特征在于,所述铜元素的负载量为0.5~4%,锰元素的负载量为0.1~1.2%。
3.如权利要求2所述催化剂,其特征在于,所述铜元素的负载量为1.5%,锰元素的负载量为0.5 %。
4.如权利要求1~3所述Cu/Mn-SSZ-39催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:将铜源和锰源按摩尔比12:3~18混合,加入NH4 +-SSZ-39分子筛与混合溶液进行离子交换反应,过滤,水洗至中性,于500~600℃焙烧3~5h,得到Cu/Mn-SSZ-39催化剂。
5.如权利要求4所述制备方法,其特征在于,所述铜源和锰源的摩尔比为3:2。
6.如权利要求4所述制备方法,其特征在于,所述NH4+-SSZ-39分子筛通过将H-SSZ-39分子筛和铵盐溶液混合进行离子交换反应,过滤,水洗至中性,焙烧得到。
7.如权利要求6所述制备方法,其特征在于,所述离子交换反应条件为:H-SSZ-39分子筛和乙酸铵或硝酸铵溶液的固液比为0.5~2:50~200 g/mL,反应温度为70~85℃。
8.如权利要求6所述制备方法,其特征在于,所述乙酸铵或硝酸铵溶液的浓度为0.1~1mol/L。
9.如权利要求6所述制备方法,其特征在于,所述H-SSZ-39分子筛通过将Y720分子筛、有机模板剂、氢氧化钠、水按质量比11~12:22~24:7~8:19~20混合进行均相反应,晶化,过滤,水洗至中性,干燥,焙烧得到。
10.如权利要求1~3所述Cu/Mn-SSZ-39催化剂在催化还原氮氧化物中的应用。
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