CN110026182A - 高抗硫中低温脱硝催化剂及其制备与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高抗硫中低温脱硝催化剂及其制备与应用。所述脱硝催化剂以铈铬复合氧化物为催化活性组分，还可掺杂过渡金属M进行改性。与现有技术相比，本发明具有绿色无毒性，成本低，活性高，抗硫性高等优点，将组分Cr引入CeO2催化剂，并进行预硫化处理，提高了NOx的去除率，同时提高了抗硫性。本发明的高抗硫中低温脱硝催化剂在100～450℃的测试区间内具有较好的活性，且对SO2具有较高的耐受性。

Description

高抗硫中低温脱硝催化剂及其制备与应用
技术领域
本发明属于环保技术领域中氮氧化物的净化处理技术领域，具体涉及一种高抗硫中低温脱硝催化剂及其制备与应用。
背景技术
固定源烟气中含有大量的氮氧化物(NOx)，不仅影响生态环境，对人体也有极大的伤害。氮氧化物与臭氧浓度和光化学污染紧密相关，是诱发光化学烟雾和酸雨酸雾的重要前驱体，还可能破坏臭氧层产生二次污染。同时，氮氧化物还成为大气颗粒物污染和灰霾的重要根源，可能破坏人体的呼吸系统和刺激肺部。有数据显示我国的酸雨正在由单一的硫酸型向硝酸根离子不断增加的复合型转化，氮氧化物在大气中的环境容纳量逐渐趋近饱和态，必须尽快引起重视，采取有效治理措施。在氮氧化物控制技术中，NH3-SCR技术是应用得比较广泛的技术，它是以氨气为还原剂，在催化剂的作用下选择性催化氮氧化物与氨气反应生成氮气和水，从而实现无污染排放。NH3-SCR技术核心是催化剂的研发。目前已经成熟应用的SCR催化剂为以TiO2为载体，V2O5、WO3等为主要活性组分，该类催化剂具有较高NOx转化率，但抗硫抗水性需要提升。
在固定源烟气处理中，烟气在经过脱硫装置和除尘装置之后才进行低温SCR系统的反应，但是烟气中的SO2并没有被完全去除，此时进入SCR装置的烟气中仍会残留一定浓度的SO2气体，会对催化剂产生毒害作用，导致其SCR催化活性降低，甚至会使催化剂中毒失活。若想实现SCR催化剂工业化应用，增加其抗SO2毒化性能是关键所在。铈基氧化物具有良好的氧化还原性能和储放氧能力，受到研究人员的广泛关注。但经实验测试发现，CeO2的SCR活性较差(Different exposed facets VO x/CeO2 catalysts for the selectivecatalytic reduction of NO with NH3)，也易受到烟气中SO2的毒化而失活。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高抗硫中低温脱硝催化剂及其制备与应用，该催化剂用于固定源烟气的脱硝，具有绿色无毒性，成本低，活性高，高抗硫性等优点，能很好满足实际应用要求。
本发明所提供的高抗硫中低温脱硝催化剂，以铈铬复合氧化物为催化活性组分，所述铈铬复合氧化物的化学式可为CexCryOZ，其中，x：y＝1：0.01-1:10；具体可为1:3，z根据x、y的值确定。
所述铈、铬复合氧化物中还可掺杂过渡金属M进行改性，
所述掺杂过渡金属M可为W、Mo、Nb、Ta、Fe、Ti中的至少一种；
所述掺杂过渡金属M的铈铬复合氧化物的化学式可为MaCebCrcOd，其中，a为：过渡金属M与(M+Ce+Cr)的摩尔比，a＝0.1～10；b为Ce与(M+Ce+Cr)的摩尔比，b＝0.1～10；c为Cr与(M+Ce+Cr)的摩尔比，c＝0.1～10；d根据a、b和c的值确定。
本发明还提供了使用共沉淀法制备上述高抗硫中低温脱硝催化剂的方法。
本发明所提供的使用共沉淀法制备上述高抗硫中低温脱硝催化剂的方法，包括如下步骤：
1)将铈盐、铬盐、M盐(可不加)分别溶于水中，将得到的水溶液依次混合，搅拌，得到混合溶液；
2)将铵溶液滴加到所述混合溶液中，使最终体系内的pH值为9±0.5，搅拌；
3)停止搅拌，静置，使沉淀的晶粒聚集生长；
4)抽滤，将滤饼洗涤，烘干，得到半成品；
5)将所得半成品焙烧，即得。
上述方法在完成步骤5)后还可进一步包括对步骤5)所得产品进行硫化处理的操作。
所述硫化处理的操作为：将步骤5)所得产品在含有SO2的气氛中，加热处理。
所述含有SO2的气氛中，SO2浓度为：100～500ppm；
加热处理的温度可为100～400℃，时间可为12～96h；
具体可为：在100ppmSO2的气氛中200℃温度下处理24h。
步骤1)中，所述铬盐、铈盐分别为硝酸铬、硝酸铈，
步骤2)中，所述铵溶液为氨水或者碳酸铵溶液。
所述铵溶液中NH4+的摩尔浓度为金属总离子浓度的25～100倍。
步骤2)中，所述搅拌在室温下进行，所述搅拌的时间可为2.5-2.5h，具体可为2h；
步骤3)中，所述静置的时间可为0.5～4h；
步骤4)中，所述洗涤为：采用去离子水洗涤3～5次；
所述干燥为：在100～120℃的烘箱内干燥10～14h，具体可为110℃的烘箱内干燥12h；
步骤5)中，所述焙烧在空气氛围下进行，所述焙烧的温度可为400～600℃，具体可为500℃；所述焙烧的时间可为3～8h，具体可为4h。
本发明还提供了使用浸渍法制备上述高抗硫中低温脱硝催化剂的方法。
本发明所提供的使用浸渍法制备上述高抗硫中低温脱硝催化剂的方法，包括如下步骤：
a)将铈盐、铬盐、M盐分别溶于水中，得到铈盐水溶液、铬盐水溶液和M盐水溶液；
b)将铈盐水溶液与铬盐水溶液混合，搅拌，得到混合溶液；
c)将铵溶液滴加到所述混合溶液中，使最终体系内的pH值为9±0.5，搅拌；
d)停止搅拌，静置，使沉淀的晶粒聚集生长；
e)抽滤，将滤饼洗涤，烘干，得到半成品1；
f)将所得半成品1焙烧，得到Ce-Cr氧化物载体；
g)将Ce-Cr氧化物载体加入到M盐水溶液中，搅拌混合，得到混合物；
h)将所得混合物加热搅拌至粘稠状；
i)将步骤h)所得物干燥，得到半成品2，
j)将半成品2焙烧，即得。
上述方法在完成步骤j)后还可进一步包括对步骤j)所得产品进行硫化处理的操作。
所述硫化处理的操作为：将步骤j)所得产品在含有100～500ppmSO2的气氛中100～400℃温度下处理12～96h，具体可为在100ppmSO2的气氛中200℃温度下处理24h。
步骤a)中，所述铬盐、铈盐分别为硝酸铬、硝酸铈，
步骤c)中，所述铵溶液为氨水或者碳酸铵溶液。
所述铵溶液中NH4+的摩尔浓度为金属总离子(铬离子和铈离子)浓度的25～100倍；
所述搅拌在室温下进行，所述搅拌的时间可为2.5-2.5h，具体可为2h；
步骤d)中，所述静置的时间可为0.5～4h；
步骤e)中，所述洗涤为：采用去离子水洗涤3～5次；
所述干燥为：在100～120℃的烘箱内干燥10～14h，具体可为110℃的烘箱内干燥12h；
步骤f)中，所述焙烧在空气氛围下进行，所述焙烧的温度可为400～600℃，具体可为500℃；所述焙烧的时间可为3～8h，具体可为4h。
步骤h)中，所述加热搅拌为在60～90℃下加热搅拌0.5～4小时；
步骤i)中，所述干燥为：在100～120℃的烘箱内干燥10～14h；
步骤j)中，所述焙烧在空气氛围下进行，所述焙烧的温度可为400～600℃，具体可为500℃；所述焙烧的时间可为3～8h，具体可为4h。
上述高抗硫中低温脱硝催化剂在去除固定源烟气和汽车尾气中的氮氧化物中的应用也属于本发明的保护范围。
本发明还提供一种利用上述高抗硫中低温脱硝催化剂去除固定源烟气和汽车尾气中含有的NOx的方法，所述方法包括如下步骤：
在所述高抗硫中低温脱硝催化剂存在下，使得含NOx的固定源烟气或汽车尾气与NH3接触反应，即可。
上述方法中，所述接触反应的温度可为：100～450℃，具体可为100～400℃、150～300℃；
上述方法中以氮气为平衡气，控制气体的总流量为100～500mL/min，具体可为200mL/min，并控制空速为3×104～1.2×105mL·g-1·h-1，具体可为6×104mL·g-1·h-1。
与现有技术相比，本发明具有绿色无毒性，成本低，活性高，抗硫性高等优点，将组分Cr引入CeO2催化剂，并进行预硫化处理，提高了NOx的去除率，同时提高了抗硫性。本发明的高抗硫中低温脱硝催化剂在100～450℃的测试区间内具有较好的活性，且对SO2具有较高的耐受性。
附图说明
图1为本发明实施例1和实施例2制备的高抗硫中低温脱硝催化剂NOx的转化率与反应温度的关系图。
图2为本发明实施例1和实施例2制备的高抗硫中低温脱硝催化剂的XRD图。
图3为使用CeO2为催化剂时NOx的转化率与反应温度的关系图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行说明，但本发明并不局限于此。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
Ce1Cr3Ox样品的制备：
(1)称取12g九水硝酸铬，4.34g六水硝酸铈备用；
(2)将称好的铈盐、铬盐、分别溶解于20mL去离子水中；
(3)将(2)中完全溶解后的溶液依次混合，搅拌均匀；
(4)量取50mL的氨水逐滴滴加至(3)所得溶液，使最终体系内的pH值为9±0.5，室温下搅拌约2h；
(5)停止搅拌后，静置1h，使沉淀的晶粒聚集生长；
(6)将(5)所得物质进行抽滤，滤饼用去离子水洗涤5次，然后放入110℃的烘箱内干燥12h，得到半成品；
(7)将所得半成品放入马弗炉，空气氛围500℃条件下焙烧4h，制得高抗硫中低温脱硝催化剂。
该催化剂在500ppm NO，500ppm NH3，5％O2，平衡气体为N2的反应条件下，催化剂的用量为0.1g，反应空速为6×104mL·g-1·h-1。采样温度点分别为：100、150、200、250、300、350、400和450℃，催化剂上NOx的转化率见图1。如图1所示，该催化剂在100～300℃温度区间内NOx的转化率在80％左右，表现出较好的NOx脱除效果。
实施例2
硫化处理Ce1Cr3Ox样品的制备：
(1)称取12g九水硝酸铬，4.34g六水硝酸铈备用；
(2)将称好的铈盐、铬盐、分别溶解于20mL去离子水中；
(3)将(2)中完全溶解后的溶液依次混合，搅拌均匀；
(4)量取50mL的氨水逐滴滴加至(3)所得溶液，使最终体系内的pH值为9±0.5，室温下搅拌约2h；
(5)停止搅拌后，静置1h，使沉淀的晶粒聚集生长；
(6)将(5)所得物质进行抽滤，滤饼用去离子水洗涤5次，然后放入110℃的烘箱内干燥12h，得到半成品；
(7)将所得半成品放入马弗炉，空气氛围500℃条件下焙烧4h；
(8)将(7)制得的样品在气体氛围为5％O2，100ppmSO2，200mL/min的情况下，在200℃的温度下硫化24h，制得高抗硫中低温脱硝催化剂。
该催化剂在500ppm NO，500ppm NH3，5％O2，平衡气体为N2的反应条件下，催化剂的用量为0.1g，反应空速为6×104mL·g-1·h-1。采样温度点分别为：100、150、200、250、300、350、400和450℃，催化剂上NOx的转化率见图1。如图1所示，预硫化后的该催化剂在100～450℃，温度区间内均能保持较好的NOx脱除效果。
综上所述，CeO2金属氧化物催化剂的NOx脱除效率较差，经实验测定，CeO2催化剂的NOx脱除效率在整个测试温度窗口均小于50％(500ppm NO，500ppm NH3，5％O2，平衡气体为N2的反应条件下，催化剂的用量为0.1g，反应空速为6×104mL·g-1·h-1)，催化剂上NOx的转化率见图3。但添加金属活性组分Cr，并预硫化处理后制得的脱硝催化剂具有较为优异的NOx脱除效率，且具有优异的抗硫性能。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种脱硝催化剂，以铈铬复合氧化物为催化活性组分。
2.根据权利要求1所述的脱硝催化剂，其特征在于：所述铈铬复合氧化物的化学式为CexCryOZ，其中，x：y＝1：0.01-1:10；z根据x、y的值确定。
3.根据权利要求1或2所述的脱硝催化剂，其特征在于：所述铈铬复合氧化物掺杂过渡金属M进行改性，得到催化活性组分；
所述掺杂过渡金属M为W、Mo、Nb、Ta、Fe、Ti中的至少一种；
所述掺杂过渡金属M的铈铬复合氧化物的化学式为MaCebCrcOd，
其中，a为：过渡金属M与(M+Ce+Cr)的摩尔比，a＝0.1～10；
b为Ce与(M+Ce+Cr)的摩尔比，b＝0.1～10；
c为Cr与(M+Ce+Cr)的摩尔比，c＝0.1～10；
d根据a、b和c的值确定。
4.使用共沉淀法制备权利要求1、2或3所述的脱硝催化剂的方法，包括如下步骤：
1)将铈盐、铬盐分别溶于水中，将得到的水溶液依次混合，搅拌，得到混合溶液；或
1’)将铈盐、铬盐、M盐分别溶于水中，将得到的水溶液依次混合，搅拌，得到混合溶液；
2)将铵溶液滴加到所述混合溶液中，使最终体系内的pH值为9±0.5，搅拌；
3)停止搅拌，静置，使沉淀的晶粒聚集生长；
4)抽滤，将滤饼洗涤，烘干，得到半成品；
5)将所得半成品焙烧，即得。
5.使用浸渍法制备权利要求3所述的脱硝催化剂的方法，包括如下步骤：
a)将铈盐、铬盐、M盐分别溶于水中，得到铈盐水溶液、铬盐水溶液和M盐水溶液；
b)将铈盐水溶液与铬盐水溶液混合，搅拌，得到混合溶液；
c)将铵溶液滴加到所述混合溶液中，使最终体系内的pH值为9±0.5，搅拌；
d)停止搅拌，静置，使沉淀的晶粒聚集生长；
e)抽滤，将滤饼洗涤，烘干，得到半成品1；
f)将所得半成品1焙烧，得到Ce-Cr氧化物载体；
g)将Ce-Cr氧化物载体加入到M盐水溶液中，搅拌混合，得到混合物；
h)将所得混合物加热搅拌至粘稠状；
i)将步骤h)所得物干燥，得到半成品2，
j)将半成品2焙烧，即得。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于：所述方法还包括对得到的产品进行硫化处理的操作；
所述硫化处理的操作为：将所得产品在含有SO2的气氛中加热处理。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述含有SO2的气氛中，SO2浓度为：100～500ppm；
加热处理的温度为100～400℃，时间为12～96h。
8.权利要求1-3中任一项所述的脱硝催化剂在去除固定源烟气和汽车尾气中的氮氧化物中的应用。
9.一种利用权利要求1-3中任一项所述的脱硝催化剂去除固定源烟气和汽车尾气中含有的NOx的方法，包括：
在权利要求1-3中任一项所述的脱硝催化剂存在下，使得含NOx的固定源烟气或汽车尾气与NH3接触反应，即可。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述接触反应的温度为：100～450℃；
所述方法中以氮气为平衡气，控制气体的总流量为100～500mL/min，并控制空速为3×104～1.2×105mL·g-1·h-1。
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