CN110124689B - 一种用于餐厨垃圾发酵尾气净化的催化剂及其制备方法 - Google Patents

一种用于餐厨垃圾发酵尾气净化的催化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种用于餐厨垃圾发酵尾气净化的催化剂及其制备方法，该催化剂由载体和活性组分组成，载体为V2O5‑CeVO4，活性组分是Pd和Co3O4，Pd质量百分含量为载体的1wt.％，Co3O4质量百分含量为载体的1～5wt.％。载体通过将NH4VO3和Ce2(CO3)3机械混合，研磨、焙烧制得，活性组分采用浸渍法分步负载。该催化剂能够在320℃下使餐厨垃圾发酵尾气的转化率大于98％，而且催化剂制作工艺十分简单，活性高，稳定性良好，不易失活，能重复利用，应用范围也比较广泛。

Description

一种用于餐厨垃圾发酵尾气净化的催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及废气净化的催化剂及其制备方法，特别涉及一种用于餐厨垃圾发酵尾气净化催化剂及其制备方法。
背景技术
餐厨垃圾是人类日常生活中每天都要产生的废弃物，主要成分包括淀粉类食物、动物蛋白、脂肪、植物纤维等物质，易腐烂发臭。对于餐厨垃圾的处理，发酵处理是餐厨垃圾处理发展的方向。餐厨垃圾发酵处理过程会产生有机废气和恶臭，发酵尾气中主要的是未被利用的空气，还有生产菌在初级代谢和次级代谢中的各种中间物和产物，以及发酵过程中产生的酸碱废气。这些废气一般含有丙酮、丁酯、丁醇、乙酸乙酯、苯、甲苯、二甲苯、甲醇、正丙醇、二氯甲烷、四氢呋喃类、醚类等VOCs废气，直接排放会对环境造成极大的危害。因此，通过催化燃烧技术将发酵尾气中的有害物质销毁是非常有效的办法。
催化燃烧是多相催化反应中的完全氧化反应，使燃气和空气在催化剂表面进行非均相反应。在催化燃烧过程中，催化剂的作用是降低燃料的起燃温度，并加深其氧化程度，使有机物在较低的起燃温度条件下发生无焰燃烧，并氧化分解为燃烧最终产物CO2和H2O，且放出大量热量，同时使反应物分子富集于催化剂表面，以提高反应速率、提高燃料利用率。因此，催化燃烧具有热效率高、污染物排放水平低的优势。
通过催化燃烧技术销毁发酵尾气中的有害物质及其恶臭，实现清洁排放，关键是催化剂的性能。因此，如何开发高性能的催化剂，是该领域研究的重点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种活性高、稳定性高的一种用于餐厨垃圾发酵尾气净化的催化剂及其制备方法。其核心是，通过优化催化剂活性成分和催化剂制备工艺，以提高催化剂的性能。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：
一种用于餐厨垃圾发酵尾气净化的催化剂，该催化剂由载体和活性组分组成，载体为V2O5-CeVO4，活性组分是Pd和Co3O4，Pd质量百分含量为载体的1wt.％，Co3O4质量百分含量为载体的1～5wt.％，活性组分采用浸渍法分步负载。
一种用于餐厨垃圾发酵尾气净化的Pd/Co3O4/V2O5-CeVO4催化剂的制备方法，采用机械混合和浸渍法相结合，具体步骤如下：
(1)V2O5-CeVO4载体的制备：
按V与Ce按摩尔比3:2，称取NH4VO3和Ce2(CO3)3，机械混合，研磨，然后在600℃空气气氛焙烧4小时，V与Ce按照化学计量生成CeVO4，过量的V生成V2O5，得到V2O5-CeVO4载体。
(2)Co3O4/V2O5-CeVO4的制备：
按Co3O4质量百分含量为V2O5-CeVO4载体1～5wt.％，称取Co(NO3)2·6H2O加水溶解，然后将Co(NO3)2溶液加入到步骤(1)制得的V2O5-CeVO4载体中，通过浸渍把Co(NO3)2负载到V2O5-CeVO4载体上，然后120℃干燥，最后在500℃空气气氛焙烧4小时，得到Co3O4/V2O5-CeVO4。
(3)Pd/Co3O4/V2O5-CeVO4催化剂的制备：
按Pd质量百分含量为V2O5-CeVO4载体的1wt.％，吸取Pd(NO3)2溶液，然后将Pd(NO3)2溶液加入到步骤(2)制得的Co3O4/V2O5-CeVO4中，通过浸渍把Pd负载到Co3O4/V2O5-CeVO4上，然后120℃干燥，最后在500℃空气气氛焙烧4小时，得到Pd/Co3O4/V2O5-CeVO4催化剂。
本发明催化剂通过采用V2O5-CeVO4复合材料为载体，Pd和Co3O4为催化剂活性组分，实现了能够在较低温度(320℃)下餐厨垃圾发酵尾气的转化率大于98％，而且催化剂制作工艺十分简单，活性高，稳定性良好，不易失活，能实现催化剂的重复利用，应用范围也比较广泛。
具体实施方式
下面对本发明通过结合实施例进一步详细说明。但具体实施范围不限于所举例子。
实施例1：
一种用于餐厨垃圾发酵尾气净化的催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)V2O5-CeVO4载体的制备：
按V与Ce摩尔比3:2，称取35.1g NH4VO3和46.0g Ce2(CO3)3，机械混合，研磨，然后在600℃空气气氛焙烧4小时，V与Ce按照化学计量生成CeVO4，过量的V生成V2O5，得到V2O5-CeVO4载体。
(2)Co3O4/V2O5-CeVO4的制备：
按照Co3O4质量百分含量为V2O5-CeVO4载体1wt.％，称取0.36g的Co(NO3)2·6H2O，加10ml水溶解，将Co(NO3)2溶液加入到10.0g V2O5-CeVO4载体中，通过浸渍把Co(NO3)2负载到V2O5-CeVO4载体上，然后120℃干燥，最后在500℃空气气氛焙烧4小时，得到Co3O4/V2O5-CeVO4。
(3)Pd/Co3O4/V2O5-CeVO4催化剂的制备：
按照Pd质量百分含量为V2O5-CeVO4载体的1wt.％，吸取0.01g/mL浓度的Pd(NO3)2溶液10mL，加入到上述(2)制得的Co3O4/V2O5-CeVO4，通过浸渍把Pd负载到Co3O4/V2O5-CeVO4上，然后120℃干燥，最后在500℃空气气氛焙烧4小时，得到Pd/Co3O4/V2O5-CeVO4催化剂。
(4)催化剂性能测试：
将制得的粉末催化剂，压片成型，粉碎后选择60-80目的颗粒，称取上述催化剂8.0g，装入内径为2.0mm的催化反应炉，通入餐厨垃圾发酵尾气，发酵尾气的流量为2500ml/min，分析不同反应温度下催化剂反应前后的TVOC浓度。催化剂性能以TVOC净化率为98.0％的最低反应温度T98来表示，催化反应性能见表1。
实施例2：
一种用于餐厨垃圾发酵尾气净化的催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)V2O5-CeVO4载体的制备与实施例1相同。
(2)Co3O4/V2O5-CeVO4的制备：
按照Co3O4质量百分含量为V2O5-CeVO4载体2wt.％，称取0.72g的Co(NO3)2·6H2O，加10ml水溶解，将Co(NO3)2溶液加入加入10.0g V2O5-CeVO4载体中，通过浸渍把Co(NO3)2负载到V2O5-CeVO4载体上，然后120℃干燥，最后在500℃空气气氛焙烧4小时，得到Co3O4/V2O5-CeVO4。
(3)Pd/Co3O4/V2O5-CeVO4催化剂的制备与实施例1相同。
(4)催化剂性能测试与实施例1相同，催化反应性能见表1。
实施例3：
一种用于餐厨垃圾发酵尾气净化的催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)V2O5-CeVO4载体的制备与实施例1相同。
(2)Co3O4/V2O5-CeVO4的制备：
按照Co3O4质量百分含量为V2O5-CeVO4载体3wt.％，称取1.08g的Co(NO3)2·6H2O，加10ml水溶解，将Co(NO3)2溶液加入到10.0g V2O5-CeVO4载体中，通过浸渍把Co(NO3)2负载到V2O5-CeVO4载体上，然后120℃干燥，最后在500℃空气气氛焙烧4小时，得到Co3O4/V2O5-CeVO4。
(3)Pd/Co3O4/V2O5-CeVO4催化剂的制备与实施例1相同。
(4)催化剂性能测试与实施例1相同，催化反应性能见表1。
实施例4：
一种用于餐厨垃圾发酵尾气净化的催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)V2O5-CeVO4载体的制备与实施例1相同。
(2)Co3O4/V2O5-CeVO4的制备：
按照Co3O4质量百分含量为V2O5-CeVO4载体4wt.％，称取1.44g的Co(NO3)2·6H2O，加10ml水溶解，将Co(NO3)2溶液加入到10.0g V2O5-CeVO4载体中，通过浸渍把Co(NO3)2负载到V2O5-CeVO4载体上，然后120℃干燥，最后在500℃空气气氛焙烧4小时，得到Co3O4/V2O5-CeVO4。
(3)Pd/Co3O4/V2O5-CeVO4催化剂的制备与实施例1相同。
(4)催化剂性能测试与实施例1相同，催化反应性能见表1。
实施例5：
一种用于餐厨垃圾发酵尾气净化的催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)V2O5-CeVO4载体的制备与实施例1相同。
(2)Co3O4/V2O5-CeVO4的制备：
按照Co3O4质量百分含量为V2O5-CeVO4载体5wt.％，称取1.80g的Co(NO3)2·6H2O，加10ml水溶解，将Co(NO3)2溶液加入到10.0g V2O5-CeVO4载体中，通过浸渍把Co(NO3)2负载到V2O5-CeVO4载体上，然后120℃干燥，最后在500℃空气气氛焙烧4小时，得到Co3O4/V2O5-CeVO4。
(3)Pd/Co3O4/V2O5-CeVO4催化剂的制备与实施例1相同。
(4)催化剂性能测试与实施例1相同，催化反应性能见表1。
对比例1：
(1)V2O5-CeVO4载体的制备与实施例1相同。
(2)Pd/V2O5-CeVO4催化剂的制备：
按照Pd质量百分含量为V2O5-CeVO4载体的1wt.％，吸取0.01g/mL浓度的Pd(NO3)2溶液10mL，加入到上述(1)制得的10g V2O5-CeVO4，然后120℃干燥，最后在500℃空气气氛焙烧4小时，得到Pd/V2O5-CeVO4催化剂。
(3)催化剂性能测试与实施例1相同，催化反应性能见表1。
对比例2：
(1)CeVO4载体的制备：
将V与Ce按摩尔比1:1，称取23.4g NH4VO3和46.0g Ce2(CO3)3，机械混合，研磨，然后在600℃空气气氛焙烧4小时，V与Ce按照化学计量生成CeVO4得到CeVO4载体。
(2)Co3O4/CeVO4的制备：
按照Co3O4质量百分含量为CeVO4载体1wt.％，称取0.36g的Co(NO3)2·6H2O，加10ml水溶解，将Co(NO3)2溶液加入到10.0g CeVO4载体中，然后120℃干燥，最后在500℃空气气氛焙烧4小时，得到Co3O4/CeVO4。
(3)Pd/Co3O4/CeVO4催化剂的制备：
按照Pd质量百分含量为CeVO4载体的1wt.％，吸取0.01g/mL浓度的Pd(NO3)2溶液10mL，加入到上述(2)制得的Co3O4/CeVO4，然后120℃干燥，最后在500℃空气气氛焙烧4小时，得到Pd/Co3O4/CeVO4催化剂。
(4)催化剂性能测试与实施例1相同，催化反应性能见表1。
表1：实施例和对比例催化剂对餐厨垃圾发酵尾气净化的T98反应温度
催化剂 T<sub>98</sub>(℃)
实施例1 320
实施例2 310
实施例3 300
实施例4 305
实施例5 315
对比例1 360
对比例2 355
从表1可见，实施例1-5中催化剂对餐厨垃圾发酵尾气的净化性能，随着Co3O4负载量的增大，催化性能先升高后降低，说明Co3O4的存在促进了催化剂对餐厨垃圾发酵尾气的净化性能，而且Co3O4的促进作用存在最大值。实施例3催化剂的活性最高，在300℃的反应温度，餐厨垃圾发酵尾气净化率可实现98％。

Claims (1)

1.一种用于餐厨垃圾发酵尾气净化的催化剂，其特征在于：该催化剂由载体和活性组分组成，载体为V2O5-CeVO4，活性组分是Pd和Co3O4，Pd质量百分含量为载体的1wt.％，Co3O4质量百分含量为载体的1～5wt.％，活性组分采用浸渍法分步负载，该催化剂采用机械混合和浸渍法相结合制备，包括如下步骤：
(1)V2O5-CeVO4载体的制备：
按V与Ce按摩尔比3:2，称取NH4VO3和Ce2(CO3)3，机械混合，研磨，然后在600℃空气气氛焙烧4小时，得到V2O5-CeVO4载体；
(2)Co3O4/V2O5-CeVO4的制备：
按Co3O4质量百分含量为V2O5-CeVO4载体1～5wt.％，称取Co(NO3)2·6H2O加水溶解，然后将Co(NO3)2溶液加入到步骤(1)制得的V2O5-CeVO4载体中，通过浸渍把Co(NO3)2负载到V2O5-CeVO4载体上，然后120℃干燥，最后在500℃空气气氛焙烧4小时，得到Co3O4/V2O5-CeVO4；
(3)Pd/Co3O4/V2O5-CeVO4催化剂的制备：
按Pd质量百分含量为V2O5-CeVO4载体的1wt.％，吸取Pd(NO3)2溶液，然后将Pd(NO3)2溶液加入到步骤(2)制得的Co3O4/V2O5-CeVO4中，通过浸渍把Pd负载到Co3O4/V2O5-CeVO4上，然后120℃干燥，最后在500℃空气气氛焙烧4小时，得到Pd/Co3O4/V2O5-CeVO4催化剂。
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