CN109603533A - 一种Ag和二维MXene修饰的高温烟气除尘脱硝脱汞催化膜及其制备方法 - Google Patents

一种Ag和二维MXene修饰的高温烟气除尘脱硝脱汞催化膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于空气净化领域，尤其是一种Ag和二维MXene修饰的高温烟气除尘脱硝脱汞催化膜及其制备方法；所述催化膜由陶瓷支撑体以及分布在陶瓷支撑体孔道内的活性催化层构成，所述活性催化层的成分包括：二维MXene纳米片、AgNO3、活性金属、载体、分散剂、粘合剂；本发明以二维层状MXene纳米片作结构导向剂，制备了一种Ag和二维MXene修饰的高温烟气除尘脱硝脱汞催化膜；二维MXene纳米材料的引入使催化层具有二维和三维组装结构，提供了更多的活性位点，增加了气体与催化剂的接触，提高了脱硝、脱汞效率；同时利用膜的分离性能，可以在高温下实现除尘脱硝脱汞一体化处理，简化了烟气净化流程。

Description

一种Ag和二维MXene修饰的高温烟气除尘脱硝脱汞催化膜及 其制备方法
技术领域
本发明属于空气净化领域，尤其是一种Ag和二维MXene修饰的高温烟气除尘脱硝脱汞催化膜及其制备方法。
背景技术
煤在燃烧的过程中会产生多种污染物，主要有粉尘、NOx、SO2等，汞是煤中最易挥发的痕量无素之一，具有重毒性，高挥发性，强生物累积性，危害极大。在煤燃烧过程中，煤中的汞将经历复杂的物理和化学变化，最后进入气相和气溶胶，而近年来，雾霾天气较多，会对人体和环境有极大的危害。电厂是煤炭使用大户，电厂对煤烟气的处理一般是分部分项进行的，首先进行脱硝，然后再进行除尘，最后是脱硫，增加了投资及占地面积，同时SCR脱硝催化剂安装在除尘器之前，烟气中灰尘含量高，对催化剂造成磨损，堵塞，中毒，影响催化剂使用寿命。根据我国环保需求和技术进步，开发具有除尘、脱硝、脱汞一体化的催化膜，利用陶瓷膜的分离和催化性能，可以进行多气体多污染物一体化工艺，简化烟气净化流程。
MXenes材料由于具有类似石墨烯的二维结构，具有独特的层状结构，自润滑、高韧性、可导电，综合了陶瓷和金属的优点，吸引越来越多的关注。目前，MXenes材料已成功广泛用于电化学中超级电容器，锂离子电池，太阳能电池，储能，析氧反应等方面，效果显著，然而在催化领域的应用则相对较少。
发明内容
本发明的目的是：提供一种Ag和二维MXene修饰的高温烟气除尘脱硝脱汞催化膜，Ag和二维MXenes材料的引入使催化剂均匀分布在纳米片表面形成二维和三维组装结构，增加了催化活性位点，脱硝、脱汞效率高，本发明的另一个目的是：提供一种Ag和二维MXene修饰的高温烟气除尘脱硝脱汞催化膜的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种Ag和二维MXene修饰的高温烟气除尘脱硝脱汞催化膜，所述催化膜是具有二维、三维组装结构的催化层，且在高温下实现除尘脱硝脱汞一体化。
进一步的，所述催化膜由陶瓷支撑体、分布在多孔陶瓷膜支撑载体孔道内的活性催化层和分离层构成，所述活性催化层的成分包括：二维MXene纳米片、AgNO3、活性金属、催化剂载体、分散剂、粘合剂。
进一步的，所述的催化剂载体、MXene纳米片、分散剂、粘合剂质量比为1:0.01~0.1:1~8:0.2~4，活性金属V、W、Mo、Co、Y、Ag的负载量分别为1~4 wt.%、1~10 wt.%、1~10wt.%、1~10 wt.%、1~10 wt.%、1~10 wt.%。
进一步的，所述的多孔陶瓷膜支撑载体为管状或平板状，材质为TiO2、Al2O3、SiO2、ZrO2、SiC、莫来石、堇青石中的一种或多种复合；所述的多孔陶瓷膜支撑载体的孔径为50~300μm ，厚度为0.1~10mm。
进一步的，所述的分离层为TiO2、Al2O3、SiO2、ZrO2、SiC、莫来石、堇青石中的一种或多种复合；所述的分离层的孔径为0.05~30μm，分离层的厚度为1~500μm。
制备一种Ag和二维MXene修饰的高温烟气除尘脱硝脱汞催化膜的方法，所述催化膜的制备包括以下步骤：
（1）取MXene溶液用去离子水稀释，加入AgNO3，超声1~2h后；
（2）将活性金属、分散剂、载体分散于子水中，超声1~2h；
（3）将溶液B缓慢加入溶液A中，搅拌加入粘合剂，搅拌1~4h得到活性溶液；
（4）将配好的催化层溶胶通过抽吸的方涂覆在支撑体孔道内，然后放在干燥箱里烘干再经过煅烧得到催化膜。
进一步的，所述步骤（1）中MXene溶液的制备方法：将Ti3AlC2 颗粒于25℃置于40%HF中搅拌2h，离心分离，干燥，将得到的粉末分散于去离子水中，浓度为2 mg/mL，将分散液在流动的氩气下超声2h，离心，取上层清液，得到MXene二维纳米片清液。
进一步的，所述步骤（2）中分散剂选用乙二醇、丙三醇、十二烷基硫酸钠中的一种。
进一步的，所述步骤（2）中的载体是TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3纳米粉体分散液中的一种或两种，粉体粒径为5~100 nm；所述的活性金属的前驱体选用硝酸钒、硝酸钨、硝酸钼、硝酸钴、硝酸钇中的一种或多种。
进一步的，所述步骤（3）中粘合剂选用聚乙二醇、聚乙烯醇、甲基纤维素中的一种或两种。
进一步的，所述步骤（4）中的干燥温度为40~85℃，干燥温度30~80% RH，所述的烧结温度为300~600℃。
采用本发明的技术方案的有益效果是：
1、本发明以二维层状 MXene纳米片作结构导向剂，制备了一种Ag和二维MXene修饰的高温烟气除尘脱硝脱汞催化膜；通过二维MXenes纳米材料的引入使催化剂具有二维、三维组装结构，提供了更多的活性位点，增加了气体与催化剂的接触，具有很高的脱硝、脱汞效率；同时利用膜的分离性能，可以在高温下实现除尘脱硝脱汞一体化处理，简化烟气净化流程。
2、本发明中的催化活性物在陶瓷膜孔道内分布均匀，活性物质负载量可调，在200~500℃有很好的脱硝、脱汞性能，制备方法简单，具有很高的推广价值。
3、本发明所述的除尘、脱硝、脱汞一体化催化膜，具有除尘效率，脱硝脱汞效率高的特点，使用温度200~450℃；本发明所述的催化膜可用于电厂、钢铁厂、VOC等含NOx、粉尘、汞的烟气处理，制备方法简单，具有很好的推广价值。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明典型实施例Ag和二维MXene修饰的高温烟气除尘脱硝脱汞催化膜制备方法；
图2为二维MXene纳米片AFM图
图3为实施例1 活性溶液图；
图4 为实施例1支撑体孔径和催化膜孔径分布图；
图5为实施例1 催化膜断面形态图。
图中：1MXene溶液，2载体，3支撑体，4催化层，5分离层。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
图1为本发明典型实施例Ag和二维MXene修饰的高温烟气除尘脱硝脱汞催化膜制备方法。
如图1所示，本发明典型实施例Ag和二维MXene修饰的高温烟气除尘脱硝脱汞催化膜制备方法包括以下步骤：
（1）取MXene溶液1用去离子水稀释，加入AgNO3，超声1~2h后；
（2）将活性金属、分散剂、载体2分散于子水中，超声1~2h；
（3）将溶液B缓慢加入溶液A中，搅拌加入粘合剂，搅拌1~4h得到活性溶液；
（4）将配好的催化层溶胶通过抽吸的方涂覆在支撑体3孔道内，然后放在干燥箱里烘干再经过煅烧得到催化膜，催化膜由陶瓷支撑体、分布在多孔陶瓷膜支撑载体孔道内的活性催化层4和分离层5构成。
实施例1
将10g Ti3AlC2 颗粒置于40% HF酸中2 h，离心分离，水洗醇洗，低温烘干，得到Ti3C2Tx粉末，Ti3C2Tx粉末分散于去离子水中，浓度2 mg/mL，超声2 h，离心分离取上层清液得到MXene纳米片分散液（如图2所示）。取5mL MXene纳米片分散液稀释到50 mL，加入0.09gAgNO3，超声2 h。取硝酸钒，硝酸钨于250mL去离子水中，加入1.6g草酸，加入5g 5nm TiO2，30mL乙二醇，超声2 h后将两种溶液混合，加入2 g 10%-PVA，得到活性溶液（如图3所示），活性溶液中V的负载量是1.8 wt%，W的负载量是8 wt%。将管式膜（支撑体平均孔径40um左右，如图4所示）在活性溶液中浸渍抽吸2min后提出，在85 ℃，50% RH条件下干燥48 h，置于马弗炉中，升温速度为0.5 ℃/min，500 ℃温度条件下烧结3h，得到催化膜（如图5所示）。
经检测，所制得催化膜除尘效率为98%，200~450℃ NOx转化率保持在96%以上，脱汞效率在98%以上。
实施例2
根据实施例1所示方法制得MXene纳米片分散液, 取7mL MXene纳米片分散液稀释到50mL，加入0.94g AgNO3，超声2 h。取硝酸钒，硝酸钼，硝酸钇于250mL去离子水中，加入4g20nmTiO2，2g 40nm ZrO2, 56mL甘油，超声2 h后将两种溶液混合，加入3.1 g 10%-甲基纤维素，得到活性溶液，活性溶液中V的负载量是1.2 wt%，Mo的负载量是6 wt%，Y的负载量是8wt%。将板式膜(平均孔径10 um) 在活性溶液中浸渍抽吸2min后提出，在70℃，40%RH条件下干燥48 h，置于马弗炉中，升温速度为0.5℃/min，450℃温度条件下烧结3h，得到催化膜（催化膜表面形貌如图2所示）。
经检测，所制得催化膜除尘效率为98%，200~450℃ NOx转化率保持在96%以上，脱汞效率在98%以上。
实施例3
根据实施例1所示方法制得MXene纳米片分散液, 取4mL MXene纳米片分散液稀释到50mL，加入0.68g AgNO3，超声2 h。取硝酸钼，硝酸钴，于250mL去离子水中，加入3g 100nmAl2O3，3g 30nm SiO2, 4.3g十二烷基硫酸钠，超声2 h后将两种溶液混合，加入3.1g 10%PEG-6000，得到活性溶液，活性溶液中Mo的负载量是7 wt%，Co的负载量是10wt%。将管式膜（平均孔径100um）在活性溶液中浸渍抽吸4min后提出，在80℃，32%RH条件下干燥48 h，置于马弗炉中，升温速度为0.5℃/min，400℃温度条件下烧结3h，得到催化膜。
经检测，所制得催化膜除尘效率为98%，200~450℃ NOx转化率保持在96%以上，脱汞效率在98%以上。
实施例4
根据实施例1所示方法制得MXene纳米片分散液, 取10mL MXene纳米片分散液稀释到50 mL，加入0.49g AgNO3，超声2 h。取硝酸钒，硝酸钼，硝酸钴，于250mL去离子水中，加入3g20nm TiO2，3g 50nm SiO2，1g 100nm ZrO2，20mL乙二醇，超声2 h后将两种溶液混合，加入3.1 g 10% PVA，得到活性溶液，活性溶液中V的负载量是1.5 wt%，Co的负载量是4 wt%，Mo的负载量是6 wt%。将管式膜（平均孔径80um）在活性溶液中浸渍抽吸3 min后提出，在80℃，60%RH条件下干燥48 h，置于马弗炉中，升温速度为0.5 ℃/min，450℃温度条件下烧结3h，得到催化膜。
经检测，所制得催化膜除尘效率为98%，200~450℃ NOx转化率保持在96%以上，脱汞效率在98%以上。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (11)

1.一种Ag和二维MXene修饰的高温烟气除尘脱硝脱汞催化膜，其特征在于：所述催化膜是具有二维、三维组装结构的催化层，且在高温下实现除尘脱硝脱汞一体化。
2.根据权利要求1所述的一种Ag和二维MXene修饰的高温烟气除尘脱硝脱汞催化膜，其特征在于：所述催化膜由陶瓷支撑体、分布在多孔陶瓷膜支撑载体孔道内的活性催化层和分离层构成，所述活性催化层的成分包括：二维MXene纳米片、AgNO3、活性金属、催化剂载体、分散剂、粘合剂。
3.根据权利要求2所述的一种Ag和二维MXene修饰的高温烟气除尘脱硝脱汞催化膜，其特征在于：所述的催化剂载体、MXene纳米片、分散剂、粘合剂质量比为1:0.01~0.1:1~8:0.2~4，活性金属V、W、Mo、Co、Y、Ag的负载量分别为1~4 wt.%、1~10 wt.%、1~10 wt.%、1~10wt.%、1~10 wt.%、1~10 wt.%。
4.根据权利要求2所述的一种Ag和二维MXene修饰的高温烟气除尘脱硝脱汞催化膜，其特征在于：所述的多孔陶瓷膜支撑载体为管状或平板状，材质为TiO2、Al2O3、SiO2、ZrO2、SiC、莫来石、堇青石中的一种或多种复合；所述的多孔陶瓷膜支撑载体的孔径为50~300μm ，厚度为0.1~10mm。
5.根据权利要求2所述的一种Ag和二维MXene修饰的高温烟气除尘脱硝脱汞催化膜，其特征在于：所述的分离层为TiO2、Al2O3、SiO2、ZrO2、SiC、莫来石、堇青石中的一种或多种复合；所述的分离层的孔径为0.05~30μm，分离层的厚度为1~500μm。
6.制备如权利要求1-5中任一项所述的一种Ag和二维MXene修饰的高温烟气除尘脱硝脱汞催化膜的方法，其特征在于：所述催化膜的制备包括以下步骤：
（1）取MXene溶液用去离子水稀释，加入AgNO3，超声1~2h后；
（2）将活性金属、分散剂、载体分散于子水中，超声1~2h；
（3）将溶液B缓慢加入溶液A中，搅拌加入粘合剂，搅拌1~4h得到活性溶液；
（4）将配好的催化层溶胶通过抽吸的方涂覆在支撑体孔道内，然后放在干燥箱里烘干再经过煅烧得到催化膜。
7.根据权利要求6所述的一种Ag和二维MXene修饰的高温烟气除尘脱硝脱汞催化膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中MXene溶液的制备方法：将Ti3AlC2 颗粒于25℃置于40%HF中搅拌2h，离心分离，干燥，将得到的粉末分散于去离子水中，浓度为2 mg/mL，将分散液在流动的氩气下超声2h，离心，取上层清液，得到MXene二维纳米片清液。
8.根据权利要求6所述的一种Ag和二维MXene修饰的高温烟气除尘脱硝脱汞催化膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中分散剂选用乙二醇、丙三醇、十二烷基硫酸钠中的一种。
9.根据权利要求6所述的一种Ag和二维MXene修饰的高温烟气除尘脱硝脱汞催化膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的载体是TiO2、ZrO2、SiO2、Al2O3纳米粉体分散液中的一种或两种，粉体粒径为5~100 nm；所述的活性金属的前驱体选用硝酸钒、硝酸钨、硝酸钼、硝酸钴、硝酸钇中的一种或多种。
10.根据权利要求6所述的一种Ag和二维MXene修饰的高温烟气除尘脱硝脱汞催化膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中粘合剂选用聚乙二醇、聚乙烯醇、甲基纤维素中的一种或两种。
11.根据权利要求6所述的一种Ag和二维MXene修饰的高温烟气除尘脱硝脱汞催化膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中的干燥温度为40~85℃，干燥温度30~80% RH，所述的烧结温度为300~600℃。
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