CN112588285B - 一种水热稳定的丙烯酸废气催化燃烧催化剂及其制备方法 - Google Patents

一种水热稳定的丙烯酸废气催化燃烧催化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水热稳定的丙烯酸废气催化燃烧催化剂及其制备方法，所述催化剂是以稀土金属氧化物、纳米氧化铝作为载体，经球磨混匀后，在表面活性剂保护下沉积负载贵金属，通过洗涤、干燥、焙烧工艺，再利用硅烷偶联剂在催化剂表面接枝一层二氧化硅疏水性保护膜而制得。本发明催化剂制备方法简单，催化活性高，可适应高水汽、高温条件，对丙烯酸废气及其相关废气具有高效催化燃烧效果，具有很好的工业化应用前景。

Description

一种水热稳定的丙烯酸废气催化燃烧催化剂及其制备方法
技术领域
本发明属于催化剂技术领域，具体涉及一种催化活性高、水热稳定性好的丙烯酸废气催化燃烧催化剂及其制备方法。
背景技术
丙烯酸又称为乙烯基甲酸，是最简单的不饱和羧酸，由一个乙烯基和一个羧基组成，丙烯酸具有极快的聚合速度，是重要的有机合成原料及合成树脂单体。目前丙烯酸的生产工艺是以氧气、丙烯为原料，在水蒸气和高温条件下，通过催化剂作用直接氧化而得。丙烯的氧化可分为两个阶段，首阶段为丙烯被氧化为丙烯醛，次阶段为丙烯醛进一步氧化为丙烯酸。因此，在丙烯酸制备过程中，会产生乙酸、乙醛、丙烯醛等副产物，还会有丙烯、丙烷、乙烷、一氧化碳等废气的排放，同时伴有10％以上的水汽成分。
丙烯酸废气的直接排放将会严重危害人体健康和生态环境，催化燃烧是目前净化挥发性有机物(VOCs)较为先进、成熟的技术，该技术是依靠催化剂的催化活性实现有机物的低温氧化，分解为无害的水和二氧化碳，以实现环保效果。由于丙烯酸废气成分复杂，丙烷、乙烷催化燃烧难度较大，水蒸气对催化剂活性具有强烈的抑制作用，高空速和高水量还会造成涂层的损失，因此，一般的催化燃烧催化剂不适合丙烯酸废气的催化燃烧，高抗水性、高活性、高热稳定性成为丙烯酸废气催化剂合格的指标，但目前还鲜有报道。
发明内容
本发明的目的在于针对丙烯酸废气的特点，克服现有技术中催化剂的耐水热稳定性较差的缺点，提供一种催化活性高、水热稳定性好的丙烯酸废气催化燃烧催化剂。
针对上述目的，本发明采用的丙烯酸废气催化燃烧催化剂是以稀土金属氧化物与纳米氧化铝的混合物为载体，负载贵金属组分后接枝硅烷偶联剂，再经焙烧而得；其中，所述的稀土金属氧化物是CeO2、ZrO2、La2O3中任意一种或多种的混合物，纳米氧化铝是γ-Al2O3、θ-Al2O3、α-Al2O3中任意一种或多种的混合物，贵金属组分是Pd、Pt中任意一种或两种，硅烷偶联剂是甲基乙氧基硅烷、辛基乙氧基硅烷中任意一种或两种。
上述催化剂中，优选所述的稀土金属氧化物为CeO2、ZrO2、La2O3质量比为1:0.5:0.1～1:1:0.5的混合物，优选所述的纳米氧化铝为γ-Al2O3、θ-Al2O3、α-Al2O3质量比为1:0.5:0.1～1:1:0.5的混合物。
上述催化剂中，所述稀土金属氧化物与纳米氧化铝的质量比为2:98～10:90，优选稀土金属氧化物与纳米氧化铝的质量比为4:96～6:94；所述贵金属组分的质量与稀土金属氧化物和纳米氧化铝的质量之和的比为2:98～4:96，优选贵金属组分是Pd和Pt，且Pd、Pt的质量比为1:4～4:1；所述硅烷偶联剂焙烧后理论所得二氧化硅与催化剂的质量比为0.1:99.9～2:98，优选硅烷偶联剂焙烧后理论所得二氧化硅与催化剂的质量比为0.5:99.5～1.5:98.5。
本发明水热稳定的丙烯酸废气催化燃烧催化剂的制备方法由下述步骤组成：
步骤1：预混载体
将稀土氧化物与纳米氧化铝在高速行星式球磨机中高速干磨1～4h。
步骤2：负载贵金属
在机械搅拌条件下，将贵金属组分的前驱体水溶液和表面活性剂水溶液混合，并向该溶液加入步骤1的预混载体，用碱性溶液调节pH为7～9，稳定30～60min，陈化4～24h，过滤洗涤至中性，80～120℃干燥，400～600℃焙烧后用高速球磨机干磨呈粉末。
步骤3：接枝二氧化硅
在机械搅拌条件下，向硅烷偶联剂的乙醇溶液中加入步骤2所得粉末，50～70℃恒温回流搅拌2～4h，过滤，80～120℃干燥，400～600℃焙烧，得到催化剂。
上述步骤2中，所述贵金属组分的前驱体为氯钯酸、氯铂酸、硝酸钯、硝酸铂、氯钯酸钠、氯铂酸钠中任意一种或多种；所述表面活性剂为聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮中任意一种或多种；所述碱性溶液为质量浓度5％～10％的氢氧化钠水溶液、质量浓度5％～10％的碳酸钠水溶液、质量浓度5％～10％的氨水溶液中任意一种或多种。
上述步骤2中，优选所述的贵金属组分的前驱体与表面活性剂质量之比为2:1～5:1。
上述步骤3中，优选所述硅烷偶联剂的乙醇溶液与步骤2所得粉末的质量比为5～10:1。
本发明的有益效果如下：
1、本发明丙烯酸废气催化燃烧催化剂采用稀土金属氧化物掺杂氧化铝提高了催化剂的活性和热稳定性，接枝二氧化硅提高了催化剂的水热稳定性，使其可适用于高水气、高空速、高运行温度的丙烯酸废气的催化燃烧反应中。
2、本发明丙烯酸废气催化燃烧催化剂的制备方法过程简单，易于工业化生产。
附图说明
图1是实施例7、实施例12和对比例3、对比例4催化剂的稳定性对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。
实施例1
步骤1：预混载体
称取0.5g CeO2、9.5gγ-Al2O3在行星式球磨机中以300r/min球磨2h，得到载体。
步骤2：负载贵金属
将0.1g聚乙烯醇溶解于20mL水中，然后加入2.0mL氯钯酸水溶液(含Pd 0.2g)，并加水稀释至30mL，混合10min，再加入9.8g步骤1中载体，搅拌10min，用质量浓度为5％的NaOH水溶液调节pH＝7.5，稳定30min，陈化4h，过滤洗涤至中性，100℃干燥，500℃焙烧2h，焙烧后在行星式球磨机中以300r/min球磨2h。
步骤3：接枝二氧化硅
将0.2g甲基乙氧基硅烷溶解于50mL乙醇中，并加入步骤2球磨后所得粉末，70℃恒温回流搅拌2h，过滤，100℃干燥，500℃焙烧2h，得到催化剂。
实施例2
本实施例的步骤1中，称取0.25g CeO2、0.25g ZrO2、9.5gγ-Al2O3在行星式球磨机中以300r/min球磨2h，得到载体。其他步骤与实施例1相同，得到催化剂。
实施例3
本实施例的步骤1中，称取0.2g CeO2、0.2g ZrO2、0.1g La2O3、9.5gγ-Al2O3在行星式球磨机中以300r/min球磨2h，得到载体。其他步骤与实施例1相同，得到催化剂。
实施例4
本实施例的步骤1中，称取0.2g CeO2、0.2g ZrO2、0.1g La2O3、4.75gγ-Al2O3、4.75gθ-Al2O3在行星式球磨机中以300r/min球磨2h，得到载体。其他步骤与实施例1相同，得到催化剂。
实施例5
本实施例的步骤1中，称取0.2g CeO2、0.2g ZrO2、0.1g La2O3、3.8gγ-Al2O3、3.8gθ-Al2O3、1.9gα-Al2O3在行星式球磨机中以300r/min球磨2h，得到载体。其他步骤与实施例1相同，得到催化剂。
实施例6
本实施例的步骤2中，将0.1g聚乙烯醇溶解于20mL水中，然后加入1.2mL氯钯酸水溶液(含Pd 0.12g)、0.8mL氯铂酸水溶液(含Pt 0.08g)，并加水稀释至30mL，混合10min，再加入9.8g步骤1中载体，搅拌10min，用质量浓度为5％的NaOH水溶液调节pH＝7.5，稳定30min，陈化4h，过滤洗涤至中性，100℃干燥，500℃焙烧2h，焙烧后在行星式球磨机中以300r/min球磨2h。其他步骤与实施例5相同，得到催化剂。
实施例7
本实施例的步骤2中，将0.1g聚乙烯醇溶解于20mL水中，然后加入1.2mL硝酸钯水溶液(含Pd 0.12g)、0.8mL硝酸铂水溶液(含Pt 0.08g)，并加水稀释至30mL，混合10min，再加入9.8g步骤1中载体，搅拌10min，用质量浓度为5％的NaOH水溶液调节pH＝7.5，稳定30min，陈化4h，过滤洗涤至中性，100℃干燥，500℃焙烧2h，焙烧后在行星式球磨机中以300r/min球磨2h。其他步骤与实施例5相同，得到催化剂。
实施例8
本实施例的步骤2中，将0.1g聚乙烯醇溶解于20mL水中，然后加入30mL含0.34g氯钯酸钠(含Pd 0.12g)、0.24g氯铂酸钠(含Pt 0.08g)的水溶液，并加水稀释至30mL，混合10min，再加入9.8g步骤1中载体，搅拌10min，用质量浓度为5％的NaOH水溶液调节pH＝7.5，稳定30min，陈化4h，过滤洗涤至中性，100℃干燥，500℃焙烧2h，焙烧后在行星式球磨机中以300r/min球磨2h。其他步骤与实施例5相同，得到催化剂。
实施例9
本实施例的步骤3中，将0.1g甲基乙氧基硅烷溶解于50mL乙醇中，并加入步骤2球磨后所得粉末，70℃恒温回流搅拌2h，过滤，100℃干燥，500℃焙烧2h。其他步骤与实施例7相同，得到催化剂。
实施例10
本实施例的步骤3中，将0.3g甲基乙氧基硅烷溶解于50mL乙醇中，并加入步骤2球磨后所得粉末，70℃恒温回流搅拌2h，过滤，100℃干燥，500℃焙烧2h。其他步骤与实施例7相同，得到催化剂。
实施例11
本实施例的步骤3中，将0.4g甲基乙氧基硅烷溶解于50mL乙醇中，并加入步骤2球磨后所得粉末，70℃恒温回流搅拌2h，过滤，100℃干燥，500℃焙烧2h。其他步骤与实施例7相同，得到催化剂。
实施例12
本实施例的步骤3中，将0.5g辛基乙氧基硅烷溶解于50mL乙醇中，并加入步骤2球磨后所得粉末，70℃恒温回流搅拌2h，过滤，100℃干燥，500℃焙烧2h。其他步骤与实施例7相同，得到催化剂。
对比例1
步骤1：预混载体
称取4.0gγ-Al2O3、4.0gθ-Al2O3、2.0gα-Al2O3在行星式球磨机中以300r/min球磨2h，得到载体。
步骤2：负载贵金属
将0.1g聚乙烯醇溶解于20mL水中，然后加入1.2mL硝酸钯水溶液(含Pd0.1g/mL)、0.8mL硝酸铂水溶液(含Pt 0.1g/mL)，并加水稀释至30mL，混合10min，再加入9.8g步骤1中载体，搅拌10min，用质量浓度为5％的NaOH水溶液调节pH＝7.5，稳定30min，陈化4h，过滤洗涤至中性，100℃干燥，500℃焙烧2h，焙烧后在行星式球磨机中以300r/min球磨2h，得到催化剂。
对比例2
步骤1：预混载体
称取0.2g CeO2、0.2g ZrO2、0.1g La2O3、3.8gγ-Al2O3、3.8gθ-Al2O3、1.9gα-Al2O3在行星式球磨机中以300r/min球磨2h，得到载体。
步骤2：负载贵金属
将0.1g聚乙烯醇溶解于20mL水中，然后加入1.2mL硝酸钯水溶液(含Pd0.1g/mL)、0.8mL硝酸铂水溶液(含Pt 0.1g/mL)，并加水稀释至30mL，混合10min，再加入9.8g步骤1中载体，搅拌10min，用质量浓度为5％的NaOH水溶液调节pH＝7.5，稳定30min，陈化4h，过滤洗涤至中性，100℃干燥，500℃焙烧2h，焙烧后在行星式球磨机中以300r/min球磨2h，得到催化剂。
对比例3
步骤1：预混载体
称取0.2g CeO2、0.2g ZrO2、0.1g La2O3、3.8gγ-Al2O3、3.8gθ-Al2O3、1.9gα-Al2O3在行星式球磨机中以300r/min球磨2h，得到载体。
步骤2：接枝二氧化硅
将0.2g甲基乙氧基硅烷溶解于50mL乙醇中，并加入步骤1所得9.9g载体，70℃恒温回流搅拌2h，过滤，100℃干燥，500℃焙烧2h，得到接枝二氧化硅载体。
步骤3：负载贵金属
将0.1g聚乙烯醇溶解于20mL水中，然后加入1.2mL硝酸钯水溶液(含Pd0.1g/mL)、0.8mL硝酸铂水溶液(含Pt 0.1g/mL)，并加水稀释至30mL，混合10min，再加入9.8g步骤2中接枝二氧化硅载体，搅拌10min，用质量浓度为5％的NaOH水溶液调节pH＝7.5，稳定30min，陈化4h，过滤洗涤至中性，100℃干燥，500℃焙烧2h，得到催化剂。
对比例4
在对比例3的步骤2中，将0.4g甲基乙氧基硅烷溶解于50mL乙醇中，并加入步骤1所得9.9g载体，70℃恒温回流搅拌2h，过滤，100℃干燥，500℃焙烧2h，得到接枝二氧化硅载体。其他步骤与对比例3相同，得到催化剂。
分别将实施例1～12、对比例1～4制备的催化剂按配方：催化剂3.5g、拟薄水铝石粉0.5g、聚乙二醇0.15g、水12g，在行星式球磨机中高速球磨2h，用浓硝酸调节pH＝3.5，将切割为
Figure BDA0002833849250000061
的堇青石200目蜂窝载体浸涂吹扫，烘干后500℃焙烧，反复操作，直至涂层质量达到10％～12％。然后将涂覆成型后的催化剂分别在空速50000/h，反应气组成为：2‰丙烷、2‰丙烯、2‰丙烯酸、2‰丙烯醛、2‰甲醛、5％空气、15％水汽、其余为氮气的固定床反应器上评价，催化剂的活性以丙烯的完全燃烧温度(T99)、丙烷的燃烧温度(T10、T50、T99)高低为依据，催化剂的水热稳定性以500℃运行96h的模拟气体出口甲醛浓度和非甲烷总烃出口浓度变化为依据，催化剂的稳定性以催化剂在500℃运行300～600h非甲烷总烃浓度变化趋势为依据，其测试结果见表1、表2和图1。
表1不同催化剂的活性
Figure BDA0002833849250000071
表2不同催化剂的水热稳定性
Figure BDA0002833849250000072
Figure BDA0002833849250000081
从表1可见，本发明所制备的催化剂同对比例相比，催化活性因其表面接枝SiO2后有一定改变，但仍具有较好的催化活性，且随着稀土氧化物、纳米氧化铝以及Pd-Pt的比例不同而逐步提升，优于对比例。从表2可见，本发明所制备的催化剂同对比例相比，水热稳定性明显改善，且随着稀土氧化物、纳米氧化铝以及Pd-Pt的比例不同而实现稳定，优于对比例。从图1可见，具有代表性的实施例7和实施例12长时间运行极其稳定，优于对比例3和对比例4。因此，本发明所制备的催化剂对丙烯酸废气具有优良的活性、较好的水热稳定性，具有很好的工业化前景。

Claims (7)

1.一种水热稳定的丙烯酸废气催化燃烧催化剂，其特征在于：所述催化剂是以稀土金属氧化物与纳米氧化铝的混合物为载体，负载贵金属组分后接枝硅烷偶联剂，再经400～600℃焙烧而得；其中，所述负载贵金属组分的方法为：在机械搅拌条件下，将贵金属组分的前驱体水溶液和表面活性剂水溶液混合，并向该溶液加入步骤1的预混载体，用碱性溶液调节pH为7～9，稳定30～60min，陈化4～24h，过滤洗涤至中性，80～120℃干燥，400～600℃焙烧后用高速球磨机干磨呈粉末；所述的稀土金属氧化物是CeO2、ZrO2、La2O3质量比为1:0.5:0.1～1:1:0.5的混合物，所述的纳米氧化铝是γ-Al2O3、θ-Al2O3、α-Al2O3质量比为1:0.5:0.1～1:1:0.5的混合物，贵金属组分是Pd和Pt，硅烷偶联剂是甲基乙氧基硅烷、辛基乙氧基硅烷中任意一种或两种；所述稀土金属氧化物与纳米氧化铝的质量比为2:98～10:90，贵金属组分的质量与稀土金属氧化物和纳米氧化铝的质量之和的比为2:98～4:96，硅烷偶联剂焙烧后理论所得二氧化硅与催化剂的质量比为0.1:99.9～2:98。
2.根据权利要求1所述的水热稳定的丙烯酸废气催化燃烧催化剂，其特征在于：所述稀土金属氧化物与纳米氧化铝的质量比为4:96～6:94。
3.根据权利要求1所述的水热稳定的丙烯酸废气催化燃烧催化剂，其特征在于：所述Pd、Pt的质量比为1:4～4:1。
4.根据权利要求1所述的水热稳定的丙烯酸废气催化燃烧催化剂，其特征在于：所述硅烷偶联剂焙烧后理论所得二氧化硅与催化剂的质量比为0.5:99.5～1.5:98.5。
5.一种权利要求1所述的水热稳定的丙烯酸废气催化燃烧催化剂的制备方法，其特征在于所述方法由下述步骤组成：
步骤1：预混载体
将稀土氧化物与纳米氧化铝在高速行星式球磨机中高速干磨1～4h；
步骤2：负载贵金属
在机械搅拌条件下，将贵金属组分的前驱体水溶液和表面活性剂水溶液混合，并向该溶液加入步骤1的预混载体，用碱性溶液调节pH为7～9，稳定30～60min，陈化4～24h，过滤洗涤至中性，80～120℃干燥，400～600℃焙烧后用高速球磨机干磨呈粉末；
步骤3：接枝二氧化硅
在机械搅拌条件下，向硅烷偶联剂的乙醇溶液中加入步骤2所得粉末，50～70℃恒温回流搅拌2～4h，过滤，80～120℃干燥，400～600℃焙烧，得到催化剂。
6.根据权利要求5所述的水热稳定的丙烯酸废气催化燃烧催化剂的制备方法，其特征在于：步骤2中，所述贵金属组分钯的前驱体为氯钯酸、硝酸钯、氯钯酸钠中任意一种，所述贵金属组分铂的前驱体为氯铂酸、硝酸铂、氯铂酸钠中任意一种；所述表面活性剂为聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮中任意一种或多种；所述碱性溶液为质量浓度5%～10%的氢氧化钠水溶液、质量浓度5%～10%的碳酸钠水溶液、质量浓度5%～10%的氨水溶液中任意一种或多种。
7.根据权利要求5所述的水热稳定的丙烯酸废气催化燃烧催化剂的制备方法，其特征在于：步骤2中，所述的贵金属组分的前驱体与表面活性剂质量之比为2:1～5:1；步骤3中，所述硅烷偶联剂的乙醇溶液与步骤2所得粉末的质量比为5～10:1。
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