CN109603889B - 一种用于甲醛低温催化氧化的催化剂及其制备方法 - Google Patents

一种用于甲醛低温催化氧化的催化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于甲醛低温催化氧化的催化剂及其制备方法，该催化剂由钴氨配合物、活性炭和K2O组成，该催化剂的制备过程中，将硝酸钴、硝酸钾、活性炭和氨水的投料量分别折算成钴、钾、碳和氮原子，Co的摩尔百分比为12.3～33％，K的摩尔百分比为1.0～2.9％，C的摩尔百分比为33～49.4％，N的摩尔百分比为24.7～49.1％；其制备方法包括以下步骤：首先采取沉积沉淀法将钴组分沉淀在活性炭表面，然后采用含钾离子的氨水溶液与钴离子形成配合物，进一步干燥处理，即得；本发明有效地提高了催化剂中对氧的吸附和活化能力，进一步增加了催化剂的活性，解决了现有技术中的催化剂催化效果不佳的技术问题。

Description

一种用于甲醛低温催化氧化的催化剂及其制备方法
[技术领域]
本发明属于化工领域，具体地说是一种用于甲醛低温催化氧化的催化剂及其制备方法。
[背景技术]
众所周知，由于室内装潢材料的普遍流行，以及人造木工板的普及，建筑材料中的甲醛缓慢挥发出来，并且延续数十年以上，对人体健康造成潜在的威胁，因此，如何有效除去室内空气的甲醛，一直倍受关注。通常，消除甲醛经常采用使用多孔材料如活性炭、硅藻土等来吸附，但是由于材料容量有限，并且存在吸附和脱附平衡，导致吸附效率不高，吸附剂用量大以及脱附形成二次污染等问题。
自上世纪末以来，国内外开展了大量的关于室内甲醛催化氧化反应以及催化体系的工作。一般商业化催化剂的活性组分一般为贵金属(Pt、Au和Pd)，其昂贵的价格限制了其普遍推广。相对于贵金属催化剂，尖晶石Co3O4具有Co2+和Co3+，并且与氧离子的结合力比较弱，因此，体相Co3O4表现出较高催化剂氧化活性，为了提高Co3O4的氧化效率，不同形貌Co3O4，以及负载型Co3O4被相继开发，为了进一步提高活性组分的利用效率，在催化剂制备过程中，引入配合物如：乙二胺，蔗糖，环糊精等，以便在催化剂的焙烧以及热处理过程中，阻止锆组分的团聚，形成高分散的Co3O4活性组分。
关于Co2+以及Co3+组分的与含氮化合物配位的配合物性质也进行了大量工作，Co2+与含氮化合物配位后，可以有效地吸附氧分子，进一步形成过氧以及超氧物种，而Co2+则被氧化成Co3+，并且Co2+和Co3+之间的转变具有可逆性，这可以有效利用在催化中。此外，K+可以促进催化剂对甲醛的吸附，从而进一步提高催化剂的氧化活性。
若能采取沉积沉淀法将钴组分沉淀在活性炭表面，然后采用含钾离子的氨水溶液与钴离子形成配合物，进一步干燥处理制得用于甲醛低温氧化的催化剂，将具有非常重要的意义。
[发明内容]
本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种用于甲醛低温催化氧化的催化剂，有效地提高了催化剂中对氧的吸附和活化能力，进一步增加了催化剂的活性，解决了现有技术中的用于甲醛低温催化氧化的催化剂催化效果不佳的技术问题。
为实现上述目的设计一种用于甲醛低温催化氧化的催化剂，由钴氨配合物、活性炭和K2O组成，该催化剂的制备过程中，将硝酸钴、硝酸钾、活性炭和氨水的投料量分别折算成钴、钾、碳和氮原子，Co的摩尔百分比为12.3～33％，K 的摩尔百分比为1.0～2.9％，C的摩尔百分比为33～49.4％，N的摩尔百分比为 24.7～49.1％。
进一步地，所述Co的摩尔百分比为19.4～24.7％，所述K的摩尔百分比为 1.2～2.9％，所述C的摩尔百分比为38.8～49.4％，所述N的摩尔百分比为 24.7～38.8％。
本发明还提供了一种上述催化剂的制备方法，包括以下步骤：首先采取沉积沉淀法将钴组分沉淀在活性炭表面，然后采用含钾离子的氨水溶液与钴离子形成配合物，进一步干燥处理，即制得用于甲醛低温催化氧化的催化剂。
进一步地，该制备方法包括以下具体步骤：
1)将1mol/L的Co(NO3)2溶液与1mol/L的碳酸钠溶液逐滴并流滴加到装有活性炭和水的悬浊液的烧杯中，并控制并流的每滴液滴的量为0.05-0.07ml，通过调节1mol/L的碳酸钠溶液的滴加速率，采用pH计将悬浊液pH值控制在 9.5～10范围内，滴加过程中控制搅拌转速为200-300r/min，温度为55℃，待硝酸钴溶液滴加结束，继续搅拌陈化一小时后，过滤，用去离子水将滤饼洗涤五次；
2)将一定化学计量比的KNO3溶于3mol/L的氨水中形成混合溶液，将步骤 1)所制备的滤饼倒入混合液中搅拌10min，控制搅拌转速为200-300r/min，然后在80℃下蒸发掉多余的水分，最后将所得的固体样品120℃烘12h，即得用于甲醛低温催化氧化的催化剂。
进一步地，该制备方法所制得的用于甲醛低温催化氧化的催化剂经N2气氛下高温活化处理。
本发明同现有技术相比，具有如下优点：
(1)本发明由于采用K +修饰钴氨络合物催化剂，有效地提高了催化剂中对氧的吸附和活化能力，从而进一步增加了催化剂的活性，且催化剂制备过程中减少了焙烧步骤，简化了催化剂的制备步骤，降低了制备催化剂的能耗；
(2)本发明用活性碳负载的K+修饰钴氨络合物催化剂，在催化过程中，与氨配位的钴离子可以有效地吸附和活化氧物种，并且K+可以进一步促进催化剂的氧化活性；
(3)本发明制备的用于甲醛低温催化氧化的催化剂在惰性气氛中活化处理后，表现出高的催化活性和稳定性，催化剂在40℃呈现一定的初始活性，并且优化后催化剂的甲醛完全氧化的温度低于110℃；
(4)该催化剂反应条件温和：在110℃可将甲醛完全转化，并且CO2的选择性达到99％以上；
(5)该催化剂制备方法简单，容易进行工业放大。
[具体实施方式]
本发明提供了一种用于甲醛低温催化氧化的催化剂，由钴氨配合物、活性炭和K2O组成，该催化剂的制备过程中，将硝酸钴、硝酸钾、活性炭和氨水的投料量分别折算成钴、钾、碳和氮原子，Co的摩尔百分比为12.3～33％，优选为 19.4～24.7％，K的摩尔百分比为1.0～2.9％，优选为1.2～2.9％，C的摩尔百分比为33～49.4％，优选为38.8～49.4％，N的摩尔百分比为24.7～49.1％，优选为 24.7～38.8％。该催化剂的制备方法，包括以下步骤：首先采取沉积沉淀法将钴组分沉淀在活性炭表面，然后采用含钾离子的氨水溶液与钴离子形成配合物，进一步干燥处理，即制得用于甲醛低温催化氧化的催化剂。
下面结合具体实施例对本发明作以下进一步说明：
实施例1
一种用于甲醛低温催化氧化的催化剂，钾离子修饰钴氨络合物法，即首先采取沉积沉淀法将钴组分沉淀在活性炭表面，然后采用含钾离子的氨水溶液与沉淀形成配合物，进一步干燥处理制得。将硝酸钴、硝酸钾、活性炭和氨水的投料量分别折算成钴、钾、碳和氮原子，各组分含量具体如下：
Figure BDA0001909185190000041
上述催化剂的制备方法，具体包括如下步骤：
1)将140mL的1mol/L的Co(NO3)2溶液与170mL的1mol/L的碳酸钠溶液逐滴并流滴加到装有1.7g活性炭和20mL水的悬浊液的烧杯中，并控制并流的每滴液滴的量为0.05-0.07ml，通过调节1mol/L的碳酸钠溶液的滴加速率，采用pH计将悬浊液pH值控制在9.5～10范围内，滴加过程中控制搅拌转速为 200-300r/min，温度为55℃，待硝酸钴溶液滴加结束并继续搅拌陈化一小时后，过滤，用去离子水将滤饼洗涤五次；
2)将0.43g的KNO3溶于47mL的3mol/L的氨水中形成混合溶液，将步骤 1)所制备的滤饼倒入混合液中搅拌10min，控制搅拌转速为200-300r/min，然后在80℃下蒸发掉多余的水分，最后将所得的固体样品120℃烘12h，即得用于甲醛低温催化氧化的催化剂A。
实施例2
一种用于甲醛低温催化氧化的催化剂，钾离子修饰钴氨络合物法，即首先采取沉积沉淀法将钴组分沉淀在活性炭表面，然后采用含钾离子的氨水溶液与沉淀形成配合物，进一步干燥处理制得。将硝酸钴、硝酸钾、活性炭和氨水的投料量分别折算成钴、钾、碳和氮原子，各组分含量具体如下：
Figure BDA0001909185190000051
上述催化剂的制备方法，具体包括如下步骤：
1)将120mL的1mol/L的Co(NO3)2溶液与145mL的1mol/L的碳酸钠溶液逐滴并流滴加到装有2.9g活性炭和20mL水的悬浊液的烧杯中，并控制并流的每滴液滴的量为0.05-0.07ml，通过调节1mol/L的碳酸钠溶液的滴加速率，采用pH计将悬浊液pH值控制在9.5～10范围内，滴加过程中控制搅拌转速为 200-300r/min，温度55℃，待硝酸钴溶液滴加结束并继续搅拌陈化一小时后，过滤，用去离子水将滤饼洗涤五次；
2)将0.6g的KNO3溶于40mL的3mol/L的氨水中形成混合溶液，将步骤 1)所制备的滤饼倒入混合液中搅拌10min，控制搅拌转速为200-300r/min，然后在80℃下蒸发掉多余的水分，最后将所得的固体样品120℃烘12h，即得用于甲醛低温催化氧化的催化剂B。
实施例3
一种用于甲醛低温催化氧化的催化剂，钾离子修饰钴氨络合物法，即首先采取沉积沉淀法将钴组分沉淀在活性炭表面，然后采用含钾离子的氨水溶液与沉淀形成配合物，进一步干燥处理制得。将硝酸钴、硝酸钾、活性炭和氨水的投料量分别折算成钴、钾、碳和氮原子，各组分含量具体如下：
Figure BDA0001909185190000061
上述催化剂的制备方法，具体包括如下步骤：
1)将120mL的1mol/L的Co(NO3)2溶液与145mL的1mol/L的碳酸钠溶液逐滴并流滴加到装有2.9g活性炭和20mL水的悬浊液的烧杯中，并控制并流的每滴液滴的量为0.05-0.07ml，通过调节1mol/L的碳酸钠溶液的滴加速率，采用pH计将悬浊液pH值控制在9.5～10范围内，滴加过程中控制搅拌转速为 200-300r/min，温度55℃，待硝酸钴溶液滴加结束并继续搅拌陈化一小时后，过滤，用去离子水将滤饼洗涤五次；
2)将1.83g的KNO3溶于80mL的3mol/L的氨水中形成混合溶液，将步骤1)所制备的滤饼倒入混合液中搅拌10min，控制搅拌转速为200-300r/min，然后在80℃下蒸发掉多余的水分，最后将所得的固体样品120℃烘12h，即得用于甲醛低温催化氧化的催化剂C。
实施例4
一种用于甲醛低温催化氧化的催化剂，钾离子修饰钴氨络合物法，即首先采取沉积沉淀法将钴组分沉淀在活性炭表面，然后采用含钾离子的氨水溶液与沉淀形成配合物，进一步干燥处理制得。将硝酸钴、硝酸钾、活性炭和氨水的投料量分别折算成钴、钾、碳和氮原子，各组分含量具体如下：
Figure BDA0001909185190000071
上述催化剂的制备方法，具体包括如下步骤：
1)将105mL的1mol/L的Co(NO3)2溶液与126mL的1mol/L的碳酸钠溶液逐滴并流滴加到装有3.8g活性炭和20mL水的悬浊液的烧杯中，并控制并流的每滴液滴的量为0.05-0.07ml，通过调节1mol/L的碳酸钠溶液的滴加速率，采用pH计将悬浊液pH值控制在9.5～10范围内，滴加过程中控制搅拌转速为 200-300r/min，温度55℃，待硝酸钴溶液滴加结束并继续搅拌陈化一小时后，过滤，用去离子水将滤饼洗涤五次；
2)将1.6g的KNO3溶于140mL的3mol/L的氨水中形成混合溶液，将步骤1)所制备的滤饼倒入混合液中搅拌10min，控制搅拌转速为200-300r/min，然后在80℃下蒸发掉多余的水分，最后将所得的固体样品120℃烘12h，即得用于甲醛低温催化氧化的催化剂D。
实施例5
将上述实施例1所得的用于HCHO温和条件下催化氧化的催化剂A压片并破碎至20-40目，备用。
用于HCHO温和条件下催化氧化的催化剂A的活性测试在微型石英管固定床反应器中进行，将0.5g用于室内HCHO催化氧化的催化剂A(40-60目)与等体积的石英砂混合后固定到反应管(内径6mm)的中间段，在N2气氛(流速为： 30mL/min)下于200℃预处理30min后，然后降到室温，然后切换反应气(含量为：600ppmHCHO,10vol.％O2和平衡气N2,总流速为50mL/min)，甲醛气体由平衡气N2流经多聚甲醛鼓泡器(水浴加热36℃)带入。反应温度分别设定在40℃、60℃、80℃、100℃、110℃、120℃，取每个温度点反应30min后进行在线测定：将反应尾气经碳分子筛色谱柱分离后通过镍转化炉，通过FID 检测器检测甲醛、CO和CO2的含量，分别记录检测到对应HCHO在反应温度为40℃、60℃、80℃、100℃、110℃、120℃条件下所对应的HCHO转化率和CO2选择性，所得的结果见下表：
Figure BDA0001909185190000081
实施例6
将上述实施例2所得的用于HCHO温和条件下催化氧化的催化剂B压片，并破碎至20-40目，备用。
用于HCHO温和条件下催化氧化的催化剂B的活性测试在微型石英管固定床反应器中进行，将0.5g用于室内HCHO催化氧化的催化剂B(40-60目)与等体积的石英砂混合后固定到反应管(内径6mm)的中间段，在N2气氛(流速为： 30mL/min)下于200℃预处理30min后，然后降到室温，然后切换反应气(含量为：600ppmHCHO,10vol.％O2和平衡气N2,总流速为50mL/min)，甲醛气体由平衡气N2流经多聚甲醛鼓泡器(水浴加热36℃)带入。反应温度分别设定在40℃、60℃、80℃、100℃、110℃、120℃，取每个温度点反应30min 后进行在线测定：将反应尾气经碳分子筛色谱柱分离后通过镍转化炉，通过FID 检测器检测甲醛、CO和CO2的含量，分别记录检测到对应HCHO在反应温度为40℃、60℃、80℃、100℃、110℃、120℃条件下所对应的HCHO转化率和CO2选择性，所得的结果见下表：
Figure BDA0001909185190000091
从上表中可以看出该催化剂110℃时HCHO完全催化氧化，并且CO2选择性达到100％。
实施例7
将上述实施例3所得的用于HCHO温和条件下催化氧化的催化剂C压片，并破碎至20-40目，备用。
用于HCHO温和条件下催化氧化的催化剂C的活性测试在微型石英管固定床反应器中进行，将0.5g用于室内HCHO催化氧化的催化剂C(40-60目)与等体积的石英砂混合后固定到反应管(内径6mm)的中间段，在N2气氛(流速为： 30mL/min)下于200℃预处理30min后，然后降到室温，然后切换反应气(含量为：600ppmHCHO,10vol.％O2和平衡气N2,总流速为50mL/min)，甲醛气体由平衡气N2流经多聚甲醛鼓泡器(水浴加热36℃)带入。反应温度分别设定在40℃、60℃、80℃、100℃、110℃、120℃，取每个温度点反应30min 后进行在线测定：将反应尾气经碳分子筛色谱柱分离后通过镍转化炉，通过FID 检测器检测甲醛、CO和CO2的含量，分别记录检测到对应HCHO在反应温度为40℃、60℃、80℃、100℃、110℃、120℃条件下所对应的HCHO转化率和CO2选择性，所得的结果见下表：
Figure BDA0001909185190000101
实施例8
将上述实施例4所得的用于HCHO温和条件下催化氧化的催化剂D压片，并破碎至20-40目，备用。
用于HCHO温和条件下催化氧化的催化剂D的活性测试在微型石英管固定床反应器中进行，将0.5g用于室内HCHO催化氧化的催化剂D(40-60目)与等体积的石英砂混合后固定到反应管(内径6mm)的中间段，在N2气氛(流速为： 30mL/min)下于200℃预处理30min后，然后降到室温，然后切换反应气(含量为：600ppmHCHO,10vol.％O2和平衡气N2,总流速为50mL/min)，甲醛气体由平衡气N2流经多聚甲醛鼓泡器(水浴加热36℃)带入。反应温度分别设定在40℃、60℃、80℃、100℃、110℃、130℃，取每个温度点反应30min 后进行在线测定：将反应尾气经碳分子筛色谱柱分离后通过镍转化炉，通过FID 检测器检测甲醛、CO和CO2的含量，分别记录检测到对应HCHO在反应温度为40℃、60℃、80℃、100℃、110℃、130℃条件下所对应的HCHO转化率和CO2选择性，所得的结果见下表：
Figure BDA0001909185190000111
实施例9
将实施例3所得的用于室内HCHO催化氧化的催化剂C采用同实施例7的活性评价方法，把微型石英管置于110℃的反应炉里并且保持反应温度不变，其对应不同时间的HCHO的转化率和CO2选择性见下表：
Figure BDA0001909185190000112
经过48小时连续运转没有发现活性降低。
综上：本发明采用k+修饰钴氨络合物催化剂对甲醛低温氧化表现出比较优良的催化活性。该催化剂反应条件温和，在110℃可将甲醛完全转化，并且CO2的选择性达到99％以上。此外，本发明所述催化剂制备方法简单，容易放大和产业化。且经文献检索，未见过类似催化体系报道，因此，本发明具有创新性。
本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于甲醛低温催化氧化的催化剂的制备方法，其特征在于，该催化剂由钴氨配合物、活性炭和K2O组成，该催化剂的制备过程中，将硝酸钴、硝酸钾、活性炭和氨水的投料量分别折算成钴、钾、碳和氮原子，Co的摩尔百分比为12.3～33％，K的摩尔百分比为1.0～2.9％，C的摩尔百分比为33～49.4％，N的摩尔百分比为24.7～49.1％；该催化剂的制备方法包括以下步骤：首先采取沉积沉淀法将钴组分沉淀在活性炭表面，然后采用含钾离子的氨水溶液与钴离子形成配合物，进一步干燥处理，即制得用于甲醛低温催化氧化的催化剂。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述Co的摩尔百分比为19.4～24.7％，所述K的摩尔百分比为1.2～2.9％，所述C的摩尔百分比为38.8～49.4％，所述N的摩尔百分比为24.7～38.8％。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
1)将1mol/L的Co(NO3)2溶液与1mol/L的碳酸钠溶液逐滴并流滴加到装有活性炭和水的悬浊液的烧杯中，并控制并流的每滴液滴的量为0.05-0.07ml，通过调节1mol/L的碳酸钠溶液的滴加速率，采用pH计将悬浊液pH值控制在9.5～10范围内，滴加过程中控制搅拌转速为200-300r/min，温度为55℃，待硝酸钴溶液滴加结束，继续搅拌陈化一小时后，过滤，用去离子水将滤饼洗涤五次；
2)将一定化学计量比的KNO3溶于3mol/L的氨水中形成混合溶液，将步骤1)所制备的滤饼倒入混合液中搅拌10min，控制搅拌转速为200-300r/min，然后在80℃下蒸发掉多余的水分，最后将所得的固体样品120℃烘12h，即得用于甲醛低温催化氧化的催化剂。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：制得的用于甲醛低温催化氧化的催化剂经N2气氛下高温活化处理。
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