CN111760564A - 一种用于尿素水解的催化剂及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及尿素水解技术领域，尤其涉及一种用于尿素水解的催化剂及其制备方法与应用。所述催化剂包括电气石粉和稀土金属氧化物；所述稀土金属氧化物为TiO2和/或CeO2；所述电气石粉和稀土金属氧化物的质量比为5～10：6～11。本发明提供的催化剂能够有效降低尿素(尤其是工业燃烧尾气脱硝用尿素)的水解温度，减少能量消耗，节约能源；并进一步提高尿素的水解速率。
Description
技术领域
本发明涉及尿素水解技术领域，尤其涉及一种用于尿素水解的催化剂及其制备方法与应用。
背景技术
氮氧化物(NOX)是造成大气污染的主要污染源之一，给生产活动和自然环境带来严重危害，该危害主要表现在以下三个方面：①NOX对人体具有直接危害；过量吸入NOX可使机体迅速处于缺氧窒息状态，引起大脑受损，产生中枢神经麻痹和痉挛；②NOX对人体具有间接危害；NOX与碳氢化合物(HC)共存于大气时，在紫外线的照射下发生光化学反应，生成毒性很大的光化学烟雾；光化学烟雾使人体出现眼睛和咽喉疼痛、咳嗽、恶寒、呼吸困难以及麻木痉挛、意识丧失等症状，死亡率大大增加；③NOX对生态环境具有较大危害；NOX可以与大气中的水反应生成硝酸，形成酸雨。鉴于NOX对大气污染的严重性，开发用于工业燃烧尾气脱硝技术迫在眉睫。
现有技术中通常采用尿素作为还原剂来处理工业燃烧尾气中的NOX。目前，从尿素中制备氨的方法包括尿素热解制氨法和尿素水解制氨法，相比于尿素热解制氨法，尿素水解制氨法更加经济适用。尿素水解制氨法，即将一定浓度的尿素溶液在特定温度和压力条件下进行水解，生成氨、二氧化碳和水蒸气的气相形式混合物。然而，由于尿素的水解反应是一个强吸热过程，因此在水解反应过程中需要大量的热量；也就是说，若尿素在水解过程中，热量供给不足，则会直接导致尿素的水解速率下降。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种用于尿素水解的催化剂；该催化剂能够有效降低尿素水解的活化能，从而降低尿素水解的温度，减少尿素水解过程中的能量输入，提高尿素水解的速率。
具体而言，所述催化剂包括电气石粉和稀土金属氧化物；所述稀土金属氧化物为TiO2和/或CeO2；
所述电气石粉和稀土金属氧化物的质量比为5～10：6～11。
本发明意外发现，将电气石粉与稀土金属氧化物(TiO2和/或CeO2)按照上述质量比复配后，所得催化剂能够有效降低尿素水解的活化能，减少尿素水解过程中能量供给，使尿素在较低温度的环境条件下，即可实现高效水解。
此外，本发明还进一步发现，当所述电气石粉的粒径为0.5～1.0μm时，其自发极化效果最好，能充分作用于尿素水解过程中的化学键，催化剂的效果更佳；
当所述稀土金属氧化物的粒径为100～500μm时，在保证催过效果的同时充分与尿素接触，催化剂的效果更佳。
然而，本发明在实际应用中发现，在尿素水解过程中，加入由电气石粉与稀土金属氧化物(TiO2和/或CeO2)组成的催化剂后，虽然能够一定程度上降低水解温度、促进水解速率，但是水解反应仍然需要大量的热量输入；究其原因、发现，催化剂的分散性较差。
本发明进一步发现，向催化剂中混入黏土矿物和表面活性剂可以克服催化剂分散性较差的问题；具体地，所述催化剂还包括黏土矿物和表面活性剂。
本发明还进一步探究了黏土矿物和表面活性剂的最优组分(将所有优选技术方案组合即可得到本发明的最佳技术方案)，具体如下：
作为优选，所述黏土矿物选自高岭土、蒙脱石、伊利石中的一种；
进一步地，当所述黏土矿物的粒径为100～500μm时，催化剂的分散性最佳。
作为优选，所述表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠、十二烷基苯磺酸钙、二辛基琥珀酸磺酸钠中的一种。
作为本发明的优选技术方案，所述催化剂由包括如下重量份的原料组成：
本发明发现，电气石粉、稀土金属氧化物、黏土矿物和表面活性剂需要负载在载体上，能够更好地发挥作用。本发明对载体材料进行筛选、发现，当所述载体为多孔陶瓷球时，催化剂的效果最佳。
作为上述技术方案的优选，所述催化剂由包括如下重量份的原料组成：
本发明同时提供上述催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将电气石粉、稀土金属氧化物、黏土矿物混合后，加入8～12倍质量的乙醇溶液中，分散均匀，得分散液；
(2)向所述分散液中加入表面活性剂，混合均匀，得混合液；
(3)将载体浸入到所述混合液中，烘干；
(4)将烘干后的混合物进行高温烧结后，冷却至室温。
作为优选，所述高温烧结在800～1000℃下进行30～50min。
作为上述技术方案的优选，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将电气石粉、稀土金属氧化物、黏土矿物混合后，加入10倍质量的95％乙醇溶液中，超声分散5min，得分散液；
(2)向所述分散液中加入表面活性剂，搅拌5min，得混合液；
(3)将载体浸入到所述混合液中，120℃烘干；
(4)将烘干后的混合物在800～1000℃下高温烧结30～50min后，冷却至室温。
在具体的实施方式中，步骤(4)中，所述冷却具体为：将经高温烧结后的混合物埋入石英粉中，冷却至室温。
本发明还提供上述催化剂在尿素水解中的应用；优选在工业燃烧尾气脱硝用尿素水解中的应用。
作为优选，所述催化剂的用量为所述尿素总质量的1～3％；优选为2％。
本发明的有益效果：
本发明提供的催化剂能够有效降低尿素(尤其是工业燃烧尾气脱硝用尿素)的水解温度，减少能量消耗，节约能源；并进一步提高尿素的水解速率。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供一种用于尿素水解的催化剂，由包括如下重量份的原料组成：
本实施例同时提供上述催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将电气石粉、TiO2、高岭土混合后，加入10倍质量的95％乙醇溶液中，超声分散5min，得分散液；
(2)向所述分散液中加入十二烷基苯磺酸钠，搅拌5min，得混合液；
(3)将多孔陶瓷球浸入到所述混合液中，120℃烘干；
(4)将烘干后的混合物在900℃的高温炉中烧结40min后，取出埋入石英粉中冷却至室温，即得。
实施例2
本实施例提供一种用于尿素水解的催化剂，由包括如下重量份的原料组成：
本实施例同时提供上述催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将电气石粉、CeO2、蒙脱石混合后，加入10倍质量的95％乙醇溶液中，超声分散5min，得分散液；
(2)向所述分散液中加入十二烷基苯磺酸钙，搅拌5min，得混合液；
(3)将多孔陶瓷球浸入到所述混合液中，120℃烘干；
(4)将烘干后的混合物在900℃的高温炉中烧结40min后，取出埋入石英粉中冷却至室温，即得。
实施例3
本实施例提供一种用于尿素水解的催化剂，由包括如下重量份的原料组成：
本实施例同时提供上述催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将电气石粉、TiO2、伊利石混合后，加入10倍质量的95％乙醇溶液中，超声分散5min，得分散液；
(2)向所述分散液中加入二辛基琥珀酸磺酸钠，搅拌5min，得混合液；
(3)将多孔陶瓷球浸入到所述混合液中，120℃烘干；
(4)将烘干后的混合物在900℃的高温炉中烧结40min后，取出埋入石英粉中冷却至室温，即得。
试验例1
本试验例针对实施例1～3的催化剂的性能进行测试；具体操作如下：
在天津市某环境科技有限公司，在其尿素水解设备中分别加入实施例1～3的催化剂，添加量为尿素总质量的2％，未添加催化剂的试验组为对照组。测试结果如表1所示；
表1实施例1～3的催化剂性能测试
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种用于尿素水解的催化剂，其特征在于，包括电气石粉和稀土金属氧化物；所述稀土金属氧化物为TiO2和/或CeO2；
所述电气石粉和稀土金属氧化物的质量比为5～10：6～11。
2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述电气石粉的粒径为0.5～1.0μm；
和/或，所述稀土金属氧化物的粒径为100～500μm。
3.根据权利要求1或2所述的催化剂，其特征在于，还包括黏土矿物和表面活性剂。
4.根据权利要求3所述的催化剂，其特征在于，所述黏土矿物选自高岭土、蒙脱石、伊利石中的一种；优选所述黏土矿物的粒径为100～500μm；
和/或，所述表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钠、十二烷基苯磺酸钙、二辛基琥珀酸磺酸钠中的一种。
5.根据权利要求1～4任一项所述的催化剂，其特征在于，由包括如下重量份的原料组成：
优选地，所述载体为多孔陶瓷球。
6.根据权利要求5所述的催化剂，其特征在于，由包括如下重量份的原料组成：
7.权利要求1～6任一项所述催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将电气石粉、稀土金属氧化物、黏土矿物混合后，加入8～12倍质量的乙醇溶液中，分散均匀，得分散液；
(2)向所述分散液中加入表面活性剂，混合均匀，得混合液；
(3)将载体浸入到所述混合液中，烘干；
(4)将烘干后的混合物进行高温烧结后，冷却至室温。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述高温烧结在800～1000℃下进行30～50min。
9.权利要求1～6任一项所述的催化剂在尿素水解中的应用；优选在工业燃烧尾气脱硝用尿素水解中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述催化剂的用量为所述尿素总质量的1～3％；优选为2％。
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