CN112371109A - 一种老化钒基催化剂与稀土再生的脱硝催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种老化钒基催化剂与稀土再生的脱硝催化剂的制备方法,在老化钒基催化剂的基础上,通过引入氧化镧、氧化铈和氧化铌等对其进行共同改性,发现了氧化镧、氧化铈和氧化铌与钒的氧化物之间的协同作用,提高了老化钒基催化剂的活性,拓宽了催化剂的使用温度范围。通过引入粘度代替部分TiO2,进一步提高了催化剂活性和机械强度,延长了催化剂的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及环境保护和催化剂技术领域,特别涉及一种老化钒基催化剂与稀土再生的脱硝催化剂的制备方法。
背景技术
氮氧化物(NOx)主要包括N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和N2O5,是造成大气污染的主要污染物,其中主要是NO,NO2和N2O。NO虽然毒性不太大,但是在空气中会缓慢氧化成NO2,毒性是NO的5倍。NO2对呼吸系统有强烈的刺激作用:当NO2进入人体后,会引起咳嗽、气喘、胸痛、肺气肿等不良症状。另外,NO2还可以与大气中的水反应生成硝酸,是酸雨的主要来源之一。N2O是一种具有温室效应的气体,虽然在大气中含量很低,但其单分子增温能力却是CO2的310倍,对全球气候的增温效应在未来将变得更加显著。大气中氮氧化物与碳氢化合物(CHx)混合达到一定浓度后,在太阳光辐射下通过一系列光化学反应,会形成光化学烟雾,其特征是产生高浓度的O3和细颗粒物(例如PM2.5,PM10等),对眼睛和喉咙等人体器官有强烈的刺激作用,导致头痛和呼吸道疾病的恶化,严重的甚至会造成死亡。目前,工业化主流的脱硝方式是通过催化剂控制氮氧化物的排放,主要是V2O5-TiO2或V2O5-WO3(MoO3)-TiO2,其使用寿命一般只有3年,但由于钒基催化剂属于危险固体废弃物,对生物、植物乃至生态环境污染巨大,废弃后只能填埋处理,由于处理成本高,不能彻底解决污染问题,所以目前钒基催化剂废气处理仍然是一个难题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种老化钒基催化剂与稀土再生的脱硝催化剂的制备方法,从而解决了钒基催化剂废弃后处理难的问题和催化剂再生后使用效果及寿命的问题。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种老化钒基催化剂与稀土再生的脱硝催化剂的制备方法,包括以下步骤;
步骤1:
将100质量份去离子水注入反应釜,开启搅拌、温控待水温达30-60℃后,加入0.01-0.5质量份碱水溶液并搅拌均匀;
在该温度下,不断搅拌条件下向反应釜中添加0.1-1质量份柠檬酸或盐酸或硼酸中的一种或几种,10-20质量份硅溶胶或硅纳米粉搅拌均匀;
再依次加入8-11质量份硝酸铈或碳酸铈、2-4质量份硝酸镧或碳酸镧,0.1-0.5质量份草酸铌铵或硝酸铌酰,使其搅拌均匀;
再加入0.1-0.5质量份十二烷基磺酸钠、50-70质量份老化钒基催化剂纳米粉,搅拌均匀;
再加入5-10质量份粘土或者堇青石搅拌均匀;再加入20-30质量份二氧化钛搅拌均匀;再加入10-20质量份老化钒基催化剂纳米粉,得到搅拌均匀的浆料;
步骤2:
反应釜停止搅拌和加热,对步骤1得到的浆料进行陈腐、老化;
步骤3:
将步骤2得到老化后的浆料在蒸发池内不断加热搅拌使液体蒸发,直至浆料结块,表面开裂,得到干燥的结块浆料;
步骤4:
将步骤3结块浆料装入马弗炉内经过程序升温进行煅烧;再将煅烧后的结块浆料进行湿磨法研磨制粉,最后烘干、碾碎,得到老化钒基催化剂与稀土再生的脱硝催化剂。
所述的步骤2中老化的具体步骤为:在反应釜中自然老化0.5-5小时。
所述的步骤4中的程序升温的条件为:在室温下升温至100-120℃,保温0.5-5h;再升温至240-260℃,保温1-6h;再升温至360-380℃,保温1-6h;再升温至500-620℃,保温1-6h;最后,自然冷却至室温。
所述的步骤4中的湿磨法研磨的条件为:时间0.5-2h,使获得的粉末粒径达到D50<1.5μm,D90<3μm。
所述的步骤4中的烘干的条件为:温度为100-120℃,时间为12-24h,至粉料水分小于1%。
所述的步骤4中的碾碎的条件为:将烘干结块的粉体通过圆盘碾碎机研磨成粉末状。
本发明的有益效果是:
制备得到的具有高活性,高寿命的再生SCR脱硝催化剂,可应用于任何环境下固定源氮氧化物脱硝。
本发明通过对催化剂配方的研究获得了良好的催化剂效果,通过添加一定含量的SiO2、La2O3、CeO2、Nb2O5氧化物的基础上对老化钒基催化剂进行改性,使老化钒基催化剂再生,减少了环境污染等风险同时使其再生利用。
本发明通过对催化剂制备步骤的研究进一步提升了催化剂效果,用粘土或堇青石代替部分TiO2,进一步提高了催化剂使用寿命及其脱硝活性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1:
将100质量份去离子水注入反应釜,开启搅拌、温控待水温达30℃后,加入0.01g碱水搅拌均匀;在该温度下,并在搅拌条件下向反应釜中0.1g柠檬酸,10ml硅溶胶搅拌均匀;再依次加入8g硝酸铈、2g硝酸镧,搅拌均匀;再加入0.1g十二烷基磺酸钠、50g老化钒基催化剂纳米粉,搅拌均匀;再加入5g堇青石搅拌均匀;再加入20g二氧化钛搅拌均匀;再加入10g老化钒基催化剂纳米粉,得到搅拌均匀的浆料;
在反应釜中自然老化1小时;
将老化后的浆料在蒸发池内不断加热搅拌使液体蒸发,直至浆料结块,表面开裂,得到干燥的结块浆料;
将上述结块浆料装入马弗炉内,在室温下升温至100℃,保温0.5h;再升温至240℃,保温1h;再升温至380℃,保温1h;再升温至500℃,保温1h;然后,自然冷却至室温;再将煅烧后的结块浆料进行湿磨法研磨制粉,研磨0.5h,使获得的粉末粒径达到D50<1.5μm,D90<3μm,最后在温度为105℃下干燥18h、至粉料水分小于1%,将烘干结块的粉体通过圆盘碾碎机研磨成粉末状,得到老化钒基脱硝催化剂与稀土再生的脱硝催化剂。
实施例2
将100质量份去离子水注入反应釜,开启搅拌、温控待水温达40℃后,加入0.01g氨水水搅拌均匀;在该温度下,并在搅拌条件下向反应釜中0.01g硝酸,5g硅粉搅拌均匀;再依次加入9g硝酸铈、3g硝酸镧,搅拌均匀;再加入0.1g十二烷基磺酸钠、60g老化钒基催化剂纳米粉,搅拌均匀;再加入5g粘土搅拌均匀;再加入20g二氧化钛搅拌均匀;再加入20g老化钒基催化剂纳米粉,得到搅拌均匀的浆料;
在反应釜中自然老化2小时;
将老化后的浆料在蒸发池内不断加热搅拌使液体蒸发,直至浆料结块,表面开裂,得到干燥的结块浆料;
将上述结块浆料装入马弗炉内,在室温下升温至120℃,保温2h;再升温至250℃,保温2h;再升温至370℃,保温2h;再升温至550℃,保温3h;然后,自然冷却至室温;再将煅烧后的结块浆料进行湿磨法研磨制粉,研磨1.5h,使获得的粉末粒径达到D50<1.5μm,D90<3μm,最后在温度为105℃下干燥18h、至粉料水分小于1%,将烘干结块的粉体通过圆盘碾碎机研磨成粉末状,得到老化钒基脱硝催化剂与稀土再生的脱硝催化剂。
实施例3
将100质量份去离子水注入反应釜,开启搅拌、温控待水温达40℃后,加入0.02g氨水水搅拌均匀;在该温度下,并在搅拌条件下向反应釜中0.01g硝酸,5g硅粉搅拌均匀;再依次加入11g碳酸铈、4g碳酸镧,搅拌均匀;再加入0.5g十二烷基磺酸钠、70g老化钒基催化剂纳米粉,搅拌均匀;再加入5g粘土搅拌均匀;再加入30g二氧化钛搅拌均匀;再加入20g老化钒基催化剂纳米粉,得到搅拌均匀的浆料;
在反应釜中自然老化5小时;
将老化后的浆料在蒸发池内不断加热搅拌使液体蒸发,直至浆料结块,表面开裂,得到干燥的结块浆料;
将上述结块浆料装入马弗炉内,在室温下升温至120℃,保温6h;再升温至260℃,保温6h;再升温至380℃,保温6h;再升温至620℃,保温6h;然后,自然冷却至室温;再将煅烧后的结块浆料进行湿磨法研磨制粉,研磨2h,使获得的粉末粒径达到D50<1.5μm,D90<3μm,最后在温度为105℃下干燥18h、至粉料水分小于1%,将烘干结块的粉体通过圆盘碾碎机研磨成粉末状,得到老化钒基脱硝催化剂与稀土再生的脱硝催化剂。
对比例1
与实施例1不同之处在于未添加硝酸铈、硝酸镧、草酸铌铵,其他条件相同。
对比例2
与实施例1不同之处在于未添加硝酸铈、草酸铌铵,其他条件相同。
对比例3
与实施例1不同之处在于未添加硝酸镧、草酸铌铵,其他条件相同。
对比例4
与实施例1不同之处在于未添加硝酸铈、硝酸镧,其他条件相同。
对比例5
与实施例1不同之处在于未添加硝酸铈,其他条件相同。
对比例6
与实施例1不同之处在于未添加硝酸镧,其他条件相同。
对比例7
与实施例1不同之处在未添加草酸铌铵,其他条件相同。
对比例8
与实施例1不同之处在于将堇青石替换为TiO2,其他条件相同。
通过以上方法制备得到老化钒基与稀土再生的脱硝催化剂,可应用于固定源氮氧化物脱硝,具体包括以下步骤:
将实施例和对比例制备催化剂浸渍涂敷在堇青石蜂窝状载体上,模拟催化剂实际的工况,称重1g上述催化剂采用固定床连续流石英管反应器来进行催化剂的活性测试,分别在200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、450℃、500℃的温度进行SCR脱硝活性测试。本发明虽然为实验室级别的反应,但能够反应对基础催化剂改性产生的趋势,为进一步放大实验提供指导依据。
反应混合气的组成为(体积浓度):NO的浓度为500ppm,NH3的浓度为500ppm,SO2的浓度为300ppm,O2的浓度为5%,H2O的含量为5%,其余为N2。测试空速为200000h-1以上。
催化剂在达到稳定性之前的催化效果存在不可预测的波动,在达到稳定后,催化剂效果则在相当一段时间内非常稳定,直至由于失活程度加剧而导致催化性能下降。本发明将在反应进行的第3h采集NO的转化率以保证所测量的数据为稳定时的数据。通过监测仪器测定反应器出口的NO,能够获得NO的转化率,NO的转化率反映了催化剂的脱硝活性。
为了考察催化剂活性窗口,本发明以催化剂在200℃使催化剂运转3h达到稳定后,以5℃为间隔提升反应温度,在NO的转化率首次达到或超过95%的温度为催化剂活性窗口下限温度,由于催化剂活性曲线为类似抛物线形状,因此,继续升温至NO的转化率首次下降至或低于95%的温度为催化剂活性窗口上限温度。由此,能够清晰反映催化剂的活性窗口。
催化结果详见表1
催化剂 | NO转化率(%)<sup>a</sup> | NO转化率(%)<sup>b</sup> | NO转化率(%)<sup>c</sup> | 活性窗口(℃) |
实施例1 | 93 | 96 | 98 | 200-500 |
实施例2 | 93.6 | 95.8 | 99.0 | 200-500 |
实施例3 | 94 | 95 | 97.8 | 200-500 |
对比例1 | 83 | 86 | 90 | 200-500 |
对比例2 | 88 | 92 | 95 | 200-500 |
对比例3 | 90 | 94 | 96.8 | 200-500 |
对比例4 | 91 | 95.6 | 97 | 200-500 |
对比例5 | 89 | 93 | 95 | 200-500 |
对比例6 | 93 | 98 | 99.1 | 200-500 |
对比例7 | 90.0 | 95.3 | 96.7 | 200-500 |
对比例8 | 98.9 | 99.5 | 99.0 | 200-500 |
a反应温度为250℃;b反应温度为300℃;c反应温度为450℃;
通常脱硝催化剂活性曲线为类似抛物线形状,在催化剂达到反应窗口下限温度以前直至达到窗口下限温度,其催化剂活性增加迅速,一旦反应温度进入催化剂活性窗口期间,催化剂活性则缓慢生长直至平行,然后缓慢下降,当反应温度超过催化剂活性窗口上限,催化剂活性则下降显著。通常认为,NO与NH3进行反应时,SO2也会由于氧化生成SO3,但NO还原的反应进行对温度更敏感,所以提高温度有利于SCR脱硝的进行,但温度的持续升高会对催化剂的结构造成影响,因此,并非温度越高对SCR脱硝越有利,因此,对于催化剂而言,其存在反应活性窗口。
对比例2-4分别为在对比例1的基础上单独使用氧化镧、氧化铈、氧化铌进行改性。对于对比例2中氧化镧的改性,通常氧化镧的加入能够提高活性组分的分散性,而且在煅烧过程中,氧化镧可以使活性组分充分分散,提高催化剂活性。从对比例2的结果可以看出,氧化镧的加入使得催化剂在活性都有所提高,这可能与催化剂分散性的提高以及减小催化剂团聚作用有关。但氧化镧的改性未能拓宽催化剂的活性窗口。对于对比例3中氧化铈的改性,通常,氧化铈作为催化剂中的结构保持助剂以及重要的活性组分,能够保持催化剂活性组分的结构和价态。从对比例3的结果可以看出,加入氧化铈后,催化剂整体活性有明显提高,氧化铈拓宽了催化剂活性窗口的上限,但同时也提高了催化剂活性窗口的下限。对于对比例4中氧化铌的改性,通常氧化铌本身在中低温下能够作为催化剂实现SCR反应,氧化铌的引入也会影响Ce的氧化物的价态。从对比例4的结果可以看出,氧化铌的加入显著提高了催化剂的脱硝活性,但活性提高不明显。
根据上述实验结果,本申请人尝试引入氧化镧、氧化铈、氧化铌中两种元素进行催化剂性能考察。对比例5引入了氧化镧、氧化铌进行改性,其NO的转化率在单独引入氧化镧或氧化铌的催化剂之间,其表明氧化镧、氧化铌改性剂之间的相互作用较小,可能更多发挥各自的改性作用。对比例6引入了氧化铈、氧化铌进行改性,其NO的转化率高于单独引入氧化铈和氧化铌的催化剂,该催化剂活性窗口下限温度进一步拓宽。氧化铈、氧化铌改性剂使得催化剂在500℃以下时的NO的转化率进一步提高,其可能由于氧化铈的使用和铌氧化物的引入导致催化剂表面Ce的氧化物和活性位点氧化物能够进一步分散,并产生了相互作用。对比例7引入了氧化铈和氧化镧进行改性,其NO的转化率略微低于未引入草酸铌铵的基础催化剂,氧化铈和铌氧化物及氧化镧改性剂使得催化剂低温时的NO的转化率进一步提高,其可能由于氧化镧的使用引入导致催化剂表面Ce的氧化物和铌氧化物能够进一步分散,并产生了相互作用。
根据上述内容分析,使得催化剂性能能够进一步提高的情况发生都与氧化镧的引入有关,其可能是由于氧化镧的分散作用、防止团聚作用和可能残留的硅的作用。于是,进一步将氧化铈、氧化镧、氧化铌共同引入催化剂进行改性,实施例1-3表明共同引入氧化铈、氧化镧、氧化铌时,可能残留的氧化铈、氧化镧、氧化铌与老化钒基催化剂发生了预料不到的协同作用,其在中低温度段的NO的转化率都得到了明显进一步的提升,其活化窗口的上限明显进一步拓展。其可能是在催化剂表面提高了La氧化物和Ce氧化物与钒的氧化物的分散性基础上,La氧化物和Ce氧化物与钒的氧化物之间更容易产生相互作用,可能残留的La与Ce氧化物共同能够对钒的氧化物的价态产生影响,可能残留的La与Ce氧化物共同对催化剂结构的保持产生了影响,进而使得催化剂能够更好的发挥各组分的协同作用,全面提高了催化剂性能并拓宽了催化剂的活性窗口。上述三种物质共同改性可能促进了有利因素的协同改进,转化了不利因素,因此,出现了催化剂性能的全面提升。上述实验研究表明,实施例1-3能够为具有良好催化效果的高温SCR稀土基脱硝催化剂提供具有意义的指导。
在考察催化剂配方的基础上,还考察了粘土的加入对催化剂性能的影响,通过对比例8可以看出,粘土的引入对NO的转化率未产生实质影响,而使得高温NO的转化率有所提升,而且使得催化剂活性窗口上限拓宽,其可能与粘土的粘性相关,该粘性可能有利于催化剂在高温下保持结构温度。其为进一步拓宽催化剂上限活性温度窗口提供了指导。
Claims (7)
1.一种老化钒基催化剂与稀土再生的脱硝催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤;
步骤1:
将100质量份去离子水注入反应釜,开启搅拌、温控待水温达30-60℃后,加入0.01-0.5质量份碱水溶液并搅拌均匀;
在该温度下,不断搅拌条件下向反应釜中添加0.1-1质量份柠檬酸或盐酸或硼酸中的一种或几种,10-20质量份硅溶胶或硅纳米粉搅拌均匀;
再依次加入8-11质量份硝酸铈或碳酸铈、2-4质量份硝酸镧或碳酸镧,0.1-0.5质量份草酸铌铵或硝酸铌酰,使其搅拌均匀;
再加入0.1-0.5质量份十二烷基磺酸钠、50-70质量份老化钒基催化剂纳米粉,搅拌均匀;
再加入5-10质量份粘土或者堇青石搅拌均匀;再加入20-30质量份二氧化钛搅拌均匀;再加入10-20质量份老化钒基催化剂纳米粉,得到搅拌均匀的浆料;
步骤2:
反应釜停止搅拌和加热,对步骤1得到的浆料进行陈腐、老化;
步骤3:
将步骤2得到老化后的浆料在蒸发池内不断加热搅拌使液体蒸发,直至浆料结块,表面开裂,得到干燥的结块浆料;
步骤4:
将步骤3结块浆料装入马弗炉内经过程序升温进行煅烧;再将煅烧后的结块浆料进行湿磨法研磨制粉,最后烘干、碾碎,得到老化钒基催化剂与稀土再生的脱硝催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种老化钒基催化剂与稀土再生的脱硝催化剂的制备方法,其特征在于,所述的步骤2中老化的具体步骤为:在反应釜中自然老化0.5-5小时。
3.根据权利要求1所述的一种老化钒基催化剂与稀土再生的脱硝催化剂的制备方法,其特征在于,所述的步骤4中的程序升温的条件为:在室温下升温至100-120℃,保温0.5-5h;再升温至240-260℃,保温1-6h;再升温至360-380℃,保温1-6h;再升温至500-620℃,保温1-6h;最后,自然冷却至室温。
4.根据权利要求1所述的一种老化钒基催化剂与稀土再生的脱硝催化剂的制备方法,其特征在于,所述的步骤4中的湿磨法研磨的条件为:时间0.5-2h,使获得的粉末粒径达到D50<1.5μm,D90<3μm。
5.根据权利要求1所述的一种老化钒基催化剂与稀土再生的脱硝催化剂的制备方法,其特征在于,所述的步骤4中的烘干的条件为:温度为100-120℃,时间为12-24h,至粉料水分小于1%。
6.根据权利要求1所述的一种老化钒基催化剂与稀土再生的脱硝催化剂的制备方法,其特征在于,所述的步骤4中的碾碎的条件为:将烘干结块的粉体通过圆盘碾碎机研磨成粉末状。
7.基于权利要求1制备得到老化钒基催化剂与稀土再生的脱硝催化剂,可应用于对应温度窗口环境下固定源氮氧化物脱硝。
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