CN110124645A - 一种VOCs催化燃烧催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种VOCs催化燃烧催化剂，还公开了上述VOCs催化燃烧催化剂的制备方法，该方法将非贵金属活性组份、吸附组份活化硅藻土、成型助剂、水搅拌后经过混炼处理得到可塑性泥料，在经过挤出成型、干燥、焙烧，最终得到蜂窝式非贵金属整体式催化燃烧催化剂。本发明制得的催化剂具有机械强度高、化学稳定性好、原料成本低、制备工艺简单等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种VOCs催化燃烧催化剂，还涉及上述VOCs催化燃烧催化剂的制备方法，属于环境保护技术领域。
背景技术
挥发性有机物(VOCs)是造成大气污染的重要来源物，世界卫生组织将VOCs定义为熔点低于室温且沸点为(50～260)℃的挥发性有机物。VOCs不但自身具有毒性，而且其排放还会引起温室效应，破坏臭氧层，产生光化学烟雾，对自然环境和人类健康危害很大，成为大气污染的重点污染物。
处理VOCs的技术主要有膜分离、光催化分解、冷凝、过滤、活性炭吸脱附、催化燃烧等技术。对于处理流量大、污染物浓度低的废气，通常认为催化燃烧是最好的方法之一。催化燃烧是借助催化剂在低起燃温度下进行的无火焰燃烧，并将有机废气等氧化分解成二氧化碳和水，并放出热量的技术。催化燃烧具有起燃温度低、净化效率高、适应氧浓度范围大的优点。
在催化燃烧技术中，催化剂起着至关重要的作用，它的好坏对VOCs的降解有着关键性的影响。参与催化燃烧反应的催化剂一般为固体催化剂，其由载体和催化活性组分两部分组成，载体对催化剂起支撑作用。根据照活性组分不同可分为非贵金属和贵金属催化剂两大类。其中贵金属型催化剂对VOCs的降解活性高，但因其具有资源少、价格贵、使用范围窄、易中毒失活等缺点；不利于其在VOCs处理中大规模应用。非贵金属催化剂以及其氧化物或复合氧化物具有价格相对较低、催化效率高等优点。
目前催化燃烧催化剂大多数为采用以蜂窝陶瓷载体催化剂，该类催化剂以蜂窝陶瓷为基体，在其上涂覆涂层作为载体，然后再负载活性组分。这类催化剂虽具有制备工艺简单、使用压降低等优点，但存在载体与基体结合强度低、易脱落、龟裂，易造成催化剂失活等缺点。因此开发一种高活性、高稳定性的催化燃烧催化剂具有重要意义。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种VOCs催化燃烧催化剂，该催化燃烧催化剂具有高的催化活性和高的稳定性，克服了现有催化燃烧催化剂存在的载体与基体结合强度低、易脱落、龟裂，易造成催化剂失活等缺点。
本发明还要解决的技术问题是提供上述VOCs催化燃烧催化剂的制备方法。
发明内容：为解决上述技术问题，本发明所采用的技术手段为：
一种VOCs催化燃烧催化剂，由活性组份和载体组成，所述活性组份为锰、铈、钛、钴、镁、铜或银的氧化物中的一种或几种金属氧化物的混合物，所述载体为改性硅藻土。
上述VOCs催化燃烧催化剂的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1，对硅藻土进行活化处理：取硅藻土浸渍于酸液中搅拌处理后陈化过夜，压滤出酸浸渍后的硅藻土，将其用碱液洗涤至中性，再次压滤出硅藻土并将其进行干燥、研磨处理；
步骤2，浆料的混炼：按重量份计，取步骤1 50～70份活化后的硅藻土、10～30份活性组分以及5～20份成型助剂加入到捏合机中，再往其中加入300～400份水，搅拌后得到混合均匀的浆料，待用；
步骤3，挤出成型：将步骤2制得的浆料在真空混炼机中混炼多遍；再将混炼得到的混合物置入液压挤出机中，挤出得到蜂窝式催化剂胚体；
步骤4，干燥和煅烧：将步骤3得到的蜂窝式催化剂胚体先进行干燥处理；然后将干燥后的蜂窝式催化剂胚体进行煅烧处理；煅烧后降温至室温得到所需的蜂窝式催化剂。
其中，步骤1中，所述酸液为硫酸、硝酸、盐酸、甲酸、草酸或磷酸水溶液中的一种或多种混合物，所述酸液的pH值为3～6，所述酸液的质量百分浓度为1～10wt％。
其中，步骤1中，所述碱液为氢氧化钠、氢氧化锂、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钾或氨水中的一种或多种混合物；所述碱液的质量百分浓度为2～8wt％。
其中，步骤1中，干燥温度为100～120℃，干燥研磨后硅藻土的粒度为d95≤15μm。
其中，步骤2中，所述成型助剂为羟甲基纤维素钠、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚环氧乙烯、甘油、石蜡、玻璃纤维或碳纤维中的一种或多种混合物。
其中，步骤2中，搅拌速度为400～600r/min，搅拌时间为1～3h。
其中，步骤3中，混炼温度为40～80℃，真空度为0.05MPa。
其中，步骤3中，液压挤出机的挤出压力为6～8MPa。
其中，步骤4中，干燥温度为60～80℃，干燥时间为12～14h；煅烧温度为450～550℃，煅烧时间为24～30h。
相比于现有技术，本发明技术方案具有的有益效果为：
本发明方法制得的催化燃烧催化剂成本低廉、性能稳定；一方面，催化剂本身对VOCs具有良好的吸附性和催化降解活性；另一方面，本发明采用捏合制备的催化剂与传统浸渍法涂覆制备的蜂窝催化剂相比具有较强的抗脱落效果，从而克服了现有催化燃烧催化剂存在的载体、基体、活性组分结合强度低、易脱落、龟裂以及易造成催化剂失活等缺点，有效延长了催化剂的使用寿命。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明技术方案作进一步说明。
本发明制备方法将非贵金属活性组份、吸附组份活化硅藻土、成型助剂、水搅拌后经过混炼和陈腐处理得到可塑性泥料，在经过挤出成型、干燥、焙烧后最终得到蜂窝式非贵金属整体式催化燃烧催化剂。本发明制得的催化剂具有机械强度高、化学稳定性好、原料成本低、制备工艺简单等优点。
实施例1
本发明VOCs催化燃烧催化剂的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1，对硅藻土进行活化处理：取硅藻土浸渍于pH为3的硫酸溶液中搅拌处理10h，陈化过夜，过滤出酸浸渍后的硅藻土，用质量百分浓度为2wt％的氨水溶液洗涤至中性，再次将硅藻土过滤，并置于120℃下干燥，干燥后研磨为粒度d95为2μm的粉末；
步骤2，浆料的混炼：取步骤1制得的活化后的硅藻土60份、活性组分二氧化锰10份以及成型助剂聚丙烯酸5份，一起加入到捏合机中，再往捏合机中加入去离子水300份，以400r/min的速度搅拌1.5h，混合均匀，得到浆料，待用；
步骤3，挤出成型：将步骤2制得的浆料在真空混炼机混炼3遍，混炼温度为40℃，真空混炼机的真空度为0.05MPa；将混炼得到的混合物置入液压挤出机中，在挤出压力为6MPa下得到蜂窝式催化剂胚体；
步骤4，干燥和煅烧：取步骤3得到的蜂窝式催化剂胚体置于60℃下干燥12h；将干燥后的蜂窝式催化剂胚体再置于450℃的马弗炉中煅烧24h；煅烧后降温至室温得到本发明的蜂窝式催化剂。
实施例2
本发明VOCs催化燃烧催化剂的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1，对硅藻土进行活化处理：取硅藻土浸渍于pH为6的热盐酸溶液中搅拌处理12h，陈化过夜，过滤出酸浸渍后的硅藻土，用质量百分浓度为5wt％的氢氧化钠溶液洗涤至中性，再次将硅藻土过滤，并置于100℃下干燥，干燥后研磨为粒度d95为5μm的粉末；
步骤2，浆料的混炼：取步骤1制得的活化后的硅藻土50份、活性组分二氧化钴5份以及成型助剂聚乙烯醇10份，一起加入到捏合机中，再往捏合机中加入去离子水400份，以600r/min的速度搅拌2h，混合均匀，得到浆料，待用；
步骤3，挤出成型：将步骤2制得的浆料在真空混炼机混炼5遍，混炼温度为80℃，真空混炼机的真空度为0.05MPa；将混炼得到的混合物置入液压挤出机中，在挤出压力为8MPa下得到蜂窝式催化剂胚体；
步骤4，干燥和煅烧：取步骤3得到的蜂窝式催化剂胚体置于80℃下干燥12h；将干燥后的蜂窝式催化剂胚体再置于550℃的马弗炉中煅烧30h；煅烧后降温至室温得到本发明的蜂窝式催化剂。
实施例3
本发明VOCs催化燃烧催化剂的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1，对硅藻土进行活化处理：取硅藻土浸渍于pH为4.5的磷酸溶液中搅拌处理14h，陈化过夜，过滤出酸浸渍后的硅藻土，用质量百分浓度为8wt％的氢氧化钾溶液洗涤至中性，再次将硅藻土过滤，并置于105℃下干燥，干燥后研磨为粒度d95为8μm的粉末；
步骤2，浆料的混炼：取步骤1制得的活化后的硅藻土70份、活性组分二氧化钛20份以及成型助剂玻纤10份，一起加入到捏合机中，再往捏合机中加入去离子水350份，以600r/min的速度搅拌3h，混合均匀，得到浆料，待用；
步骤3，挤出成型：将步骤2制得的浆料在真空混炼机混炼5遍，混炼温度为60℃，真空混炼机的真空度为0.05MPa；将混炼得到的混合物置入液压挤出机中，在挤出压力为8MPa下得到蜂窝式催化剂胚体；
步骤4，干燥和煅烧：取步骤3得到的蜂窝式催化剂胚体置于60℃下干燥12h；将干燥后的蜂窝式催化剂胚体再置于500℃的马弗炉中煅烧30h；煅烧后降温至室温得到本发明的蜂窝式催化剂。
将实施例1～3制得的蜂窝式催化剂进行对比试验：
将实施例1～3制得的蜂窝式催化剂进行催化燃烧活性和比面积测试，催化剂装于固定床反应装置中，以600ppm浓度的甲苯为模拟气体、4000h-1空速的合成空气为载体(氧气体积分数为20％，氮气作为平衡气)进行VOCS有机废气的催化燃烧活性性能评价。反应前后甲苯含量由气相色谱仪检测，比表面积采用BET原理测定，检测结果见表1
| 催化剂 | 比表面积m<sup>2</sup>/g | 催化燃烧温度℃ | 催化效率(％) |
| 实施例1 | 92 | 198 | 96 |
| 实施例2 | 97 | 195 | 98 |
| 实施例3 | 102 | 191 | 97 |
从表1可以看出，实施例1～3制得的蜂窝式催化剂对有机废气具有良好的催化氧化效果，在200℃以内对甲苯催化效率为96％以上，表现出极好的催化活性。硅藻土的多孔及高比表面积的特点，丰富的孔隙结构及大表面积和高吸附性能与负载的活性组分相互协同，提高蜂窝催催化剂对VOCS有机废气的催化燃烧活性。
本发明利用硅藻土具有良好的孔隙度、小的颗粒尺寸、高热稳定性、比表面大以及高吸附性能的特点，将改性后的硅藻土与活性组分复合制备整体式催化剂，制得的整体式催化剂不仅增强了催化剂对VOCs的吸附能力，从而提高了催化剂的催化活性，而且还降低了载体上活性组分的脱落率，从而延长了催化剂的使用寿命。
Claims (10)
1.一种VOCs催化燃烧催化剂，其特征在于：由活性组份和载体组成，所述活性组份为锰、铈、钛、钴、镁、铜或银的氧化物中的一种或几种金属氧化物的混合物，所述载体为改性硅藻土。
2.一种权利要求1所述的VOCs催化燃烧催化剂的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1，对硅藻土进行活化处理：取硅藻土浸渍于酸液中搅拌处理后陈化过夜，压滤出酸浸渍后的硅藻土，将其用碱液洗涤至中性，再次压滤出硅藻土并将其进行干燥、研磨处理；
步骤2，浆料的混炼：按重量份计，取步骤1 50～70份活化后的硅藻土、10～30份活性组分以及5～20份成型助剂加入到捏合机中，再往其中加入300～400份水，搅拌后得到混合均匀的浆料，待用；
步骤3，挤出成型：将步骤2制得的浆料在真空混炼机中混炼多遍；再将混炼得到的混合物置入液压挤出机中，挤出得到蜂窝式催化剂胚体；
步骤4，干燥和煅烧：将步骤3得到的蜂窝式催化剂胚体先进行干燥处理；然后将干燥后的蜂窝式催化剂胚体进行煅烧处理；煅烧后降温至室温得到所需的蜂窝式催化剂。
3.根据权利要求2所述的VOCs催化燃烧催化剂的制备方法，其特征在于：步骤1中，所述酸液为硫酸、硝酸、盐酸、甲酸、草酸或磷酸水溶液中的一种或多种混合物，所述酸液的pH值为3～6，所述酸液的质量百分浓度为1～10wt％。
4.根据权利要求2所述的VOCs催化燃烧催化剂的制备方法，其特征在于：步骤1中，所述碱液为氢氧化钠、氢氧化锂、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钾或氨水中的一种或多种混合物；所述碱液的质量百分浓度为2～8wt％。
5.根据权利要求2所述的VOCs催化燃烧催化剂的制备方法，其特征在于：步骤1中，干燥温度为100～120℃，干燥研磨后硅藻土的粒度为d95≤15μm。
6.根据权利要求2所述的VOCs催化燃烧催化剂的制备方法，其特征在于：步骤2中，所述成型助剂为羟甲基纤维素钠、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚环氧乙烯、甘油、石蜡、玻璃纤维或碳纤维中的一种或多种混合物。
7.根据权利要求2所述的VOCs催化燃烧催化剂的制备方法，其特征在于：步骤2中，搅拌速度为400～600r/min，搅拌时间为1～3h。
8.根据权利要求2所述的VOCs催化燃烧催化剂的制备方法，其特征在于：步骤3中，混炼温度为40～80℃，真空度为0.05MPa。
9.根据权利要求2所述的VOCs催化燃烧催化剂的制备方法，其特征在于：步骤3中，液压挤出机的挤出压力为6～8MPa。
10.根据权利要求2所述的VOCs催化燃烧催化剂的制备方法，其特征在于：步骤4中，干燥温度为60～80℃，干燥时间为12～14h；煅烧温度为450～550℃，煅烧时间为24～30h。
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