CN112570023B - 一种离子液体改性CuY分子筛催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽温高效的离子液体改性CuY分子筛脱硝催化剂及其制备方法和应用。在CuY分子筛催化剂的合成过程中引入疏水性羟基功能化咪唑离子液体，为脱硝提供更多的活性中心与吸附反应位点；同时离子液体中疏水性基团可提升催化剂的抗水性能，离子液体对孔道结构的修饰进一步丰富了孔道结构，增加比表面积，增强孔道的尺寸筛分与限域效应，从而促进脱硝反应的进行并抑制SO2在孔道内的吸附，提升催化剂的耐硫性和使用寿命。该催化剂不添加氧化钒和氧化钨、氧化钼等有毒组分，无毒无害，经济环保，制备方法简单，具有比传统分子筛更加丰富的孔道结构和酸性位点，可实现工业烟气的50~300°C范围内的低温选择性催化脱硝。

Description

一种离子液体改性CuY分子筛催化剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种离子液体改性CuY分子筛脱硝催化剂及其制备方法和应用，属于环保催化材料及工业烟气脱硝领域。
背景技术
由于现代工业和国民经济的快速发展，工业废气排放量急剧增加，其中氮氧化物（NO x ）是主要大气污染物之一，年排放量已达千万吨级规模。在日益严峻的环境形势尤其是大气污染每况愈下的情形下，国家相继出台一系列NO x 的减排政策。不断升级的污染物排放限值标准，为新时代火电、建材等行业及工业窑炉的发展带来了前所未有的严峻挑战。目前除了电力行业NO x 排放得到了一定程度的控制以外，非电力行业（工业锅炉、焦化、钢铁冶金等）NO x 的治理仍处于起步阶段。广泛应用于电力行业的选择性催化还原（SCR）脱硝技术最为成熟，其常见钒钛基催化剂的活性温度窗口一般为300-450°C，但V2O5易将SO2氧化成SO3，并与NH3、H2O反应生成硫酸铵盐造成催化剂表面堵塞与积灰而失活，且V组分有剧毒。而非电力行业烟气温度一般低于300°C，若采用商用SCR技术，则需将烟气再热至300°C以上，能耗较高，经济性差。因此，开发适用于低温烟气（<300°C）的宽温、高效、无钒且有较好抗硫/水性能的脱硝催化剂对于实现我国工业NO x 的全面控制具有非常重要的意义。
Y型分子筛属于泡沸石类的传统分子筛，其晶胞化学组成通式为Na56[Al56Si136O384]·264H2O，硅铝比大于1.5，合成工艺简单，原料廉价易得，作为一种固体酸催化剂，具有孔道结构规整、稳定性高、反应活性好等优势，广泛应用于催化裂化、加氢裂化等石油化工领域。其硅铝酸盐骨架结构呈立方晶格，8个β笼按金刚石结构排列（即碳（C）原子被β笼取代），相邻β笼又通过六元环以T-O-T键（T为Si或Al原子）相互连结成二十六面体笼（即八面沸石笼或超笼，直径约1.2nm）。Y型分子筛所具备的这种大体积空腔和三维十二元环孔道（直径约0.74nm）特征，为活性（过渡）金属离子提供了充足的落位点，进而为反应气体扩散进入分子筛孔道内部提供了充足的吸附位点和反应位点。
离子液体是由传统的高温熔盐演变来的，是由有机阳离子、无机或有机阴离子构成的，在室温或者接近室温条件下呈液体状态的有机盐类，具有如下特性：（1）在室温或接近室温下呈液态，大多数在300°C时仍能保持液体状态，液程范围宽；（2）几乎没有蒸汽压，不易燃、不易爆炸、污染小；（3）溶解范围广，对有机物、无机物、酸性气体和高分子材料等均具有较好的溶解性能；（4）热稳定性较好，可以很好地满足实际应用中苛刻的生产条件，使用后易再生，可以循环重复使用；（5）具有一定的酸碱性，可调节酸强度以达到特定的功能；（6）可调节的结构性能，可以通过尝试不同种类的阴、阳离子的组合设计出特定性质的离子液体。因此，可以根据需求设计出具有疏水性和特定吸附位点的功能化离子液体，进而作为改性剂提升脱硝催化剂的活性与抗水性能。
发明内容
针对目前商用中高温钒钛系催化剂组分有毒、脱硝活性温度窗口高等不足，本发明提供一种疏水抗硫性高效宽温的离子液体改性无钒CuY分子筛催化剂及其制备方法，以满足非电力行业工业烟气的脱硝要求以及减少催化剂的二次污染，延长其使用寿命。
本发明中将离子液体固载于分子筛催化剂的孔道结构中制成一种含有多种活性位点的固体非均相催化剂，既节省离子液体的用量，又丰富了固体催化剂的孔道结构，调节了孔道结构的物理化学性质，对脱硝性能的提升起到了重要作用。
本发明提供了一种疏水抗硫性高效宽温的离子液体改性无钒CuY分子筛催化剂，在CuY分子筛上固载了羟基功能化咪唑离子液体，CuY分子筛中Cu离子交换度为65~85%的CuY分子筛；所得催化剂中羟基功能化咪唑离子液体的固载量为0.05~0.8 mmol/g。
本发明提供的疏水抗硫性高效宽温的离子液体改性无钒CuY分子筛催化剂的制备方法，是以Y分子筛为载体，Cu离子为脱硝活性物质，疏水性羟基功能化咪唑离子液体（[EtOHmim]X，X=[PF6]或[NTf2]）为改性剂，在制备得到CuY分子筛催化剂以后，将羟基功能化离子液体固载于上述CuY分子筛催化剂的骨架结构中，使其兼具分子筛与离子液体的优良性能。
上述制备方法具体为：首先采用两步法制得羟基功能化咪唑离子液体[EtOHmim]X，采用离子交换法制备得到CuY分子筛，然后将1~3 g CuY分子筛均匀分散于含3~5 mmol羟基功能化咪唑离子液体的50~100 mL乙腈溶液中，在N2保护下，搅拌回流反应12~48 h后冷却至室温，抽滤、乙醇洗涤后得到的沉淀相即为羟基功能化咪唑离子液体改性CuY分子筛脱硝催化剂，记为[EtOHmim]X@CuY。
进一步地，羟基功能化咪唑离子液体（[EtOHmim]X）是疏水性[EtOHmim][PF6]、[EtOHmim][NTf2]中的任意一种，其中[EtOHmim]X@CuY催化剂中羟基功能化咪唑离子液体的固载量为0.05~0.8 mmol/g。
进一步地，所述CuY分子筛采用离子交换法制备而得，选用NaY型分子筛作为交换基质以及CuSO4水溶液作为交换液，交换条件为交换温度20~80°C、交换时间1.5~8 h、交换液浓度0.02~0.2 mol/L、交换液pH=8~10（氨水调节）。制备步骤为：称取五水硫酸铜（CuSO4·5H2O），加入蒸馏水配制成500 mL浓度为0.02~0.2 mol/L的CuSO4水溶液，再称取5~10 g NaY型分子筛，浸渍于上述CuSO4水溶液中并用氨水调节pH=8~10以形成Cu(NH3)4 2+溶液，将上述混合液置于20~80°C磁力搅拌器上，持续搅拌1.5~8 h，抽滤、洗涤，在90°C~110°C烘箱中干燥12~24 h，最后于400~500°C马弗炉中焙烧3 h。
进一步地，两步法制备羟基功能化咪唑离子液体（[EtOHmim]X，X = [PF6]或[NTf2]），是先将2-氯乙醇缓慢滴加到N-甲基咪唑（摩尔比2-氯乙醇：N-甲基咪唑 = 1.0 ~1.2），70~90℃搅拌回流反应8~24 h生成白色粉末结晶，然后经过滤、乙酸乙酯洗涤，50~80℃真空干燥12-48 h得到[EtOHmim][Cl]中间体；然后将0.3~0.5 mol [EtOHmim][Cl]中间体溶于100~150 mL水或丙酮，加入双三氟甲基磺酸亚胺锂（[LiNTf2]）或六氟磷酸钾（[KPF6]），其中[LiNTf2]或[KPF6]与[EtOHmim][Cl]中间体的摩尔比为1.0 ~1.2，室温搅拌3-24 h后分液（下层）、洗涤至无Cl-、50~80℃真空干燥12-48 h得到目标功能化离子液体[EtOHmim][NTf2]或[EtOHmim][PF6]。
本发明提供了上述离子液体改性CuY分子筛脱硝催化剂的烟气脱硝应用。具体步骤为：取制得的催化剂（1~3 g）置于固定床SCR反应器中进行脱硝活性及抗SO2、抗水性能评价；通过质量流量计控制模拟烟气总流量为500~2500 ml/min；模拟烟气组成为715 ppmNO、800 ppm NH3、3 vol.% O2、100 ppm SO2、10 vol.% H2O，N2为平衡气，测试温度范围为50°C~300°C。
进一步地，催化剂在低温窗口内（50~300°C）有高的脱硝性能（80%~100%）、良好的抗水（120°C，含10% H2O模拟烟气条件下，脱硝率基本保持在80~90%）、抗硫性能（120°C，含100 ppm SO2模拟烟气条件下，无硫中毒现象）。
本发明的有益效果：
采用疏水性羟基功能化咪唑离子液体改性CuY分子筛脱硝催化剂，具有更加丰富的微孔结构和表面活性位点，有利于反应气体在催化剂表面更好地吸附与活化，低温活性温度窗口进一步拓宽，在50~300°C温度窗口内获得80%~100%的高NO x 脱除率，同时表现出良好的抗水（120°C，10% H2O条件下，脱硝率基本稳定在90%左右）、抗硫性能（120°C，100 ppmSO2条件下，无中毒现象）。且该催化剂的制备及成型工艺简单，能耗低，生产成本低廉，同时所有原料无毒无害，符合国家环保要求，减少了催化剂对环境的二次污染，适合工业大规模推广应用。
附图说明
图1为本发明各实施例及对比例的脱硝活性图；
图2为实施例1及对比例的抗SO2性能图；
图3为实施例1及对比例的抗水性能图。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
（1）离子交换法CuY分子筛的制备
配置200 mL浓度为 0.05 mol/L的CuSO4溶液，加入10 g NaY分子筛，并用氨水调节pH至9，搅拌2 h后经抽滤、110°C干燥、400°C焙烧、研磨即得CuY分子筛。
（2）[EtOHmim][Cl]离子液体中间体的制备
将0.6 mol 2-氯乙醇缓慢滴加到0.5 mol N-甲基咪唑中，80℃搅拌回流反应12 h生成白色粉末结晶，然后经过滤、乙酸乙酯洗涤，70℃真空干燥12 h得到[EtOHmim][Cl]中间体。
（3）[EtOHmim][NTf2]离子液体的制备
将0.3 mol [EtOHmim][Cl]中间体溶于100 mL水，加入0.3 mol双三氟甲基磺酸亚胺锂（[LiNTf2]），室温搅拌5 h后，分液取下层无色透明液体用水洗涤至无Cl-，70℃真空干燥12 h得到目标功能化离子液体[EtOHmim][NTf2]。
（4）[EtOHmim][NTf2]@CuY催化剂的制备
将3 g CuY分子筛催化剂均匀分散于含3 mmol羟基功能化咪唑离子液体的50 mL乙腈溶液中，在N2保护下，70℃搅拌回流反应24 h后冷却至室温，抽滤、乙醇洗涤后即得到[EtOHmim][NTf2]@CuY催化剂。
实施例2
与实施例1[EtOHmim][NTf2]@CuY催化剂的制备过程大致相同，不同之处为步骤（3）中将[EtOHmim][Cl]中间体溶于100 mL水改为丙酮，最终得到[EtOHmim][PF6]@CuY催化剂。
对比例
为进一步比较羟基功能化咪唑离子液体对CuY分子筛催化剂的影响，选用未采用离子液体进行改性的CuY分子筛催化剂作为对比。
将上述实施例中制得的催化剂置于固定床SCR反应器中进行脱硝活性及抗SO2、抗水性能评价。通过质量流量计控制模拟烟气组成为715 ppm NO，800 ppm NH3，3 vol.% O2，100 ppm SO2，10 vol.% H2O，N2为平衡气，测试温度范围为50°C~300°C，各实施例及对比例的脱硝活性测试结果如图1所示；实施例1及对比例的抗SO2性能测试结果如图2所示，抗水性能测试结果如图3所示。
从图1-3可以看出，本发明制备的新型疏水性羟基功能化咪唑离子液体改性CuY分子筛脱硝催化剂脱硝效果显著，低温活性温度窗口宽，且抗SO2、抗水性能佳，适用于工业低温脱硝。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种离子液体改性CuY分子筛催化剂的制备方法，其特征在于：在CuY分子筛上固载了羟基功能化咪唑离子液体，CuY分子筛为Cu离子交换度为65~85%的CuY分子筛；所得催化剂中羟基功能化咪唑离子液体的固载量为0.05~0.8 mmol/g；
制备方法是以Y分子筛为载体，Cu离子为脱硝活性物质，疏水性羟基功能化咪唑离子液体[EtOHmim]X为改性剂，其中X为[PF6]或[NTf2]；在制备得到CuY分子筛催化剂以后，将羟基功能化离子液体固载于上述CuY分子筛催化剂的骨架结构中。
2.根据权利要求1所述的离子液体改性CuY分子筛催化剂的制备方法，其特征在于：首先采用两步法制得羟基功能化咪唑离子液体[EtOHmim]X，采用离子交换法制备得到CuY分子筛，然后将1~3 g CuY分子筛均匀分散于含3~5 mmol羟基功能化咪唑离子液体的50~100mL乙腈溶液中，在N2保护下，搅拌回流反应12~48 h后冷却至室温，抽滤、乙醇洗涤后得到的沉淀相即为羟基功能化咪唑离子液体改性CuY分子筛脱硝催化剂，记为[EtOHmim]X@CuY。
3.根据权利要求2所述的离子液体改性CuY分子筛催化剂的制备方法，其特征在于：所述催化剂中活性物质CuY分子筛采用离子交换法制备而得，选用NaY型分子筛作为交换基质以及CuSO4水溶液作为交换液，交换条件为：交换温度20~80℃ 、交换时间1.5~8 h、交换液浓度0.02~0.2 mol/L、交换液pH=8~10。
4.根据权利要求3所述的离子液体改性CuY分子筛催化剂的制备方法，其特征在于：所述催化剂中活性物质CuY分子筛的制备步骤为：称取五水硫酸铜CuSO4·5H2O，加入蒸馏水配制成500 mL浓度为0.02~0.2 mol/L的CuSO4水溶液，再称取5~10 g NaY型分子筛，浸渍于上述CuSO4水溶液中并用氨水调节pH=8~10以形成Cu(NH3)4 2+溶液，将上述混合液置于20~80°C磁力搅拌器上，持续搅拌1.5~8 h，抽滤、洗涤，在90℃ ~110℃ 烘箱中干燥12~24 h，最后于400~500℃ 马弗炉中焙烧3 h。
5.根据权利要求2所述的离子液体改性CuY分子筛催化剂的制备方法，其特征在于：两步法制备羟基功能化咪唑离子液体[EtOHmim]X，X = [PF6]或[NTf2]，是先将2-氯乙醇缓慢滴加到N-甲基咪唑中，70~90℃搅拌回流反应8~24 h生成白色粉末结晶，然后经过滤、乙酸乙酯洗涤，50~80℃真空干燥12-48 h得到[EtOHmim][Cl]中间体；然后将0.3~0.5 mol[EtOHmim][Cl]中间体溶于100~150 mL水或丙酮，加入双三氟甲基磺酸亚胺锂[LiNTf2]或六氟磷酸钾[KPF6]，室温搅拌3~24 h后分液、洗涤至无Cl-、50~80℃真空干燥12~48 h得到目标功能化离子液体[EtOHmim][NTf2]或[EtOHmim][PF6]。
6.根据权利要求5所述的离子液体改性CuY分子筛催化剂的制备方法，其特征在于：2-氯乙醇：N-甲基咪唑的摩尔比为1.0~1.2；[LiNTf2]或[KPF6]与[EtOHmim][Cl]中间体的摩尔比为1.0~1.2。
7.一种权利要求1所述的方法制备得到的离子液体改性CuY分子筛催化剂的烟气脱硝应用，其特征在于：
取制得的催化剂1~3 g置于固定床SCR反应器中进行脱硝活性及抗SO2、抗水性能评价；通过质量流量计控制模拟烟气总流量为500~2500 ml/min；模拟烟气组成为715 ppm NO、800 ppm NH3、3 vol.% O2、100 ppm SO2、10 vol.% H2O，N2为平衡气，测试温度范围为50℃ ~300℃ 。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：催化剂在50~300℃ 的脱硝性能为80~100%；在120℃ ，含10% H2O模拟烟气条件下，脱硝率能保持在80~90%；在120°C，含100 ppmSO2模拟烟气条件下，无硫中毒现象。
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