CN114011448B - 一种中空氮掺杂活性炭负载氧化铈脱硝催化剂的制备方法及其应用 - Google Patents

一种中空氮掺杂活性炭负载氧化铈脱硝催化剂的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种中空氮掺杂活性炭负载氧化铈脱硝催化剂的制备方法,包括以下步骤:(1)将六水合硝酸铈、聚乙烯吡咯烷酮溶于去离子水,磁力搅拌混合均匀加入纤维、尿素和活性炭,再次进行超声混合均匀得到混合物;其中,六水合硝酸铈的浓度为50‑100g/L,聚乙烯吡咯烷酮与活性炭的质量比为1:10;(2)将步骤(1)中得到的混合物于烘箱中进行烘干,烘干后在氮气氛围下焙烧一定时间后冷却至室温,即可得到中空氮掺杂活性炭负载氧化铈。采用本发明公开的技术方案得到一种能够高效脱除NOx的催化剂。

Description

一种中空氮掺杂活性炭负载氧化铈脱硝催化剂的制备方法及 其应用
技术领域
本发明涉及脱硝催化剂制备领域,尤其涉及的是一种中空氮掺杂活性炭负载氧化铈脱硝催化剂的制备方法及其应用。
背景技术
氮氧化物(NOx)是主要的大气污染物之一,主要来源于汽车尾气排放和化石燃料的燃烧。NOx的生成机理主要有热力型、快速型、燃料型3种。NOx的危害主要通过以下三个方面来体现:①对人类健康的危害。NO进入人体会和血液中血红蛋白结合,降低血液输氧能力,导致缺氧。而且NO具有致癌作用,会加大人类基因产生不利突变的概率。NO在空气中会缓慢氧化成NO2,NO2进入人体会生成硝酸或硝酸盐,具有强烈的腐蚀性,可引起不同程度级别的疾病。②温室效应、光化学烟雾、臭氧空洞。氮氧化物与二氧化碳相似,具有吸收热量的能力,容易引起温室效应。且有光照的时候,会与大气中的碳氢化合物进行光化学反应,从而导致光化学烟雾。臭氧空洞主要是氮氧化物在光合作用下释放出氮原子,生成的氮原子参加催化循环,破坏臭氧分子,导致臭氧层破坏。③形成酸雨。NOx在大气中会生成硝酸与硝酸盐等细小颗粒,这些小颗粒会与硫酸或硫酸盐颗粒结合加速酸雨的腐蚀性。
NOx的主要来源是用于发电、运输和其他焚烧过程的化石燃料的燃烧。NOx减排的方法可分为燃烧前处理、燃烧中控制以及燃烧后处理。燃烧前处理、燃烧中控制只能实现NOx排放的低去除率,最常用的技术是NOx的选择性非催化还原(SNCR)和选择性催化还原(SCR)。SNCR操作温度高,但脱硝效率低,适用于排放较低的发电厂,而SCR脱硝效率高,技术成熟应用比较广泛,且随着SCR技术在许多工业应用后得到了优化和改进,变得更加高效。
SCR脱硝技术的核心是催化剂,SCR脱硝催化剂的组成可分为载体和活性成分。合适的载体可提供合适的空隙结构,有助于提高脱硝效率,且有助于提高活性成分的分散程度,增大反应物与活性成分的接触面积。活性炭材料具有巨大的比表面积、丰富的孔结构,表面基团丰富,具有吸附、催化功能。常被用做脱硝催化剂或脱硝催化剂载体。为了提高活性炭基催化剂的脱硝性能,一般要对活性炭进行改性处理,使其具有更好的表面物理结构和表面官能团。活性炭改性一般可分为表面物理结构改性,氧化改性,向活性炭中加入含氮官能团,负载金属元素等。专利CN110368927A报道了一种氧化锰/活性炭催化剂的制备方法:首先制备水合锰溶胶,然后将炭前驱体溶液与水合锰凝胶混合均匀后加入凝胶剂,得到炭前驱体-水合锰凝胶,再煅烧所得凝胶,即可得到氧化锰/活性炭脱硝催化剂,制备方法较为复杂。
本发明提出一种中空氮掺杂活性炭负载氧化铈(中空氮掺杂的活性炭/CeO2)脱硝催化剂,具有以下优点:①制备方法较为简单;②在活性炭中掺杂氮可增加活性炭中的含氮官能团,从而增强活性炭的活性;③催化剂的中空结构可更加均匀的分散活性成分,提高催化剂的活性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供了一种中空氮掺杂活性炭负载氧化铈脱硝催化剂的制备方法。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的:
一种中空氮掺杂活性炭负载氧化铈脱硝催化剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)将六水合硝酸铈、聚乙烯吡咯烷酮溶于去离子水,磁力搅拌混合均匀加入纤维、尿素和活性炭,再次进行超声混合均匀得到混合物;
其中,六水合硝酸铈的浓度为50-100g/L,聚乙烯吡咯烷酮与尿素的质量比为1:10;
(2)将步骤(1)中得到的混合物于烘箱中进行烘干,烘干后在氮气氛围下焙烧一定时间后冷却至室温,即可得到中空氮掺杂活性炭负载氧化铈。
优选地,所述步骤(1)中,磁力搅拌的温度为室温,转速为300-500r/min。
优选地,所述步骤(1)中超声频率为20-80kHz,超声温度为室温,超声时间为2-4h。
优选地,所述步骤(1)中聚乙烯吡咯烷酮的分子量为30000。
优选地,所述步骤(1)中纤维的种类为羊毛,棉,聚酯中的任意一种。
优选地,所述步骤(1)中活性炭与尿素的质量比为1:1。
优选地,所述步骤(2)中,烘干温度为60-100℃。
优选地,所述步骤(2)中,焙烧温度为550-650℃,焙烧时间为2-6h,升温速率为2-5℃/min。
本发明同时公开上述中空氮掺杂活性炭负载氧化铈脱硝催化剂的制备方法在制备脱硝催化剂中的应用。
本发明相比现有技术具有以下优点:
1、本发明制备的氮掺杂活性炭增加了活性炭的含氮量,提高了活性炭的活性。
2、本发明制备的氮掺杂的活性炭负载中空氧化铈,可更加均匀的分散活性成分,从而提高催化剂的脱硝性能。
3、本发明使用模板浸渍法制备出中空氮掺杂活性炭负载氧化铈(中空氮掺杂的活性炭/CeO2)脱硝催化剂,可应用于氨气选择性催化还原脱除NOx。
附图说明
图1是本发明对比实施例中空氮掺杂活性炭负载氧化铈(中空氮掺杂的活性炭/CeO2)脱硝催化剂的脱硝效率曲线,其中,图中1:0.5、1:1、1:1.5比例表示不同活性炭和尿素的质量比;
图2是本发明对比实施例中中空氮掺杂的活性炭/CeO2和氮掺杂的活性炭/CeO2在300℃下NO脱除效果对比图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1:HNAC/CeO2(1:0.5)材料的制备
(1)将4.0g六水合硝酸铈、2g聚乙烯吡咯烷酮溶于80mL去离子水,在500r/min的速度下磁力搅拌混合均匀加入10g尿素、3g羊毛纤维和20g商用活性炭再次进行超声混合3h得到混合物;
(2)将步骤(1)中得到的混合物于100℃烘箱中干燥24h,随后将干燥后的固体物质在氮气氛围下以2℃/min的升温速率600℃下焙烧3h冷却至室温,即可得到中空氮掺杂活性炭负载氧化铈(HNAC/CeO2(1:0.5))。
实施例2:HNAC/CeO2(1:1)材料的制备
(1)将4.0g六水合硝酸铈、2g聚乙烯吡咯烷酮溶于80mL去离子水,在500r/min的速度下磁力搅拌混合均匀加入20g尿素、3g羊毛纤维和20g商用活性炭再次进行超声混合3h。
(2)将步骤(1)中得到的混合物于100℃烘箱中干燥24h,随后将干燥后的固体物质在氮气氛围下以2℃/min的升温速率600℃下焙烧3h冷却至室温,即可得到中空氮掺杂活性炭负载氧化铈(HNAC/CeO2(1:1))。
实施例3:HNAC/CeO2(1:1.5)材料的制备
(1)将4.0g六水合硝酸铈、2g聚乙烯吡咯烷酮溶于80mL去离子水,在500r/min的速度下磁力搅拌混合均匀加入30g尿素、3g羊毛纤维和20g商用活性炭再次进行超声混合3h。
(2)将步骤(1)中得到的混合物于100℃烘箱中干燥24h,随后将干燥后的固体物质在氮气氛围下以2℃/min的升温速率600℃下焙烧3h冷却至室温,即可得到中空氮掺杂活性炭负载氧化铈(HNAC/CeO2(1:1.5))。
对比实施例
NAC/CeO2(1:1)的制备:
(1)将4.0g六水合硝酸铈、溶于80mL去离子水,在500r/min的速度下磁力搅拌混合均匀加入20g尿素、和20g商用活性炭再次进行超声混合3h。
(2)将步骤(1)中得到的混合物于100℃烘箱中干燥24h,随后将干燥后的固体物质在氮气氛围下以2℃/min的升温速率600℃下焙烧3h冷却至室温,即可得到氮掺杂活性炭负载氧化铈(NAC/CeO2(1:1))。
分别将实施例1-3制备的催化剂材料中空氮掺杂的活性炭/CeO2研磨筛分至40-60目,使用自制催化剂脱硝性能评价系统进行评价。
评价方法如下:
将本发明将实施例1-3制备的中空氮掺杂的活性炭/CeO2在200-400℃条件下进行脱硝试验,试验结果如图1,由图1可知:
本发明上述实施例制备得到的中空氮掺杂的活性炭/CeO2均具有较优异的氨气选择性催化还原脱除NO的能力。
将本发明将实施例2制备的HNAC/CeO2(1:1)与上述制备得到的NAC/CeO2
(1:1)进行脱除NO试验,试验结果如图2所示,由图2可知:
本发明制备得到的HNAC/CeO2(1:1))在300℃,20000h-1空速下表现出比NAC/CeO2(1:1))更加优秀的氨气选择性还原脱除NO能力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种中空氮掺杂活性炭负载氧化铈脱硝催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将六水合硝酸铈、聚乙烯吡咯烷酮溶于去离子水,磁力搅拌混合均匀加入纤维、尿素和活性炭,再次进行超声混合均匀得到混合物;
其中,六水合硝酸铈的浓度为50-100g/L,聚乙烯吡咯烷酮与尿素的质量比为1:10;
(2)将步骤(1)中得到的混合物于烘箱中进行烘干,烘干后在氮气氛围下焙烧一定时间后冷却至室温,即可得到中空氮掺杂活性炭负载氧化铈。
2.根据权利要求1所述的中空氮掺杂活性炭负载氧化铈脱硝催化剂的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中,磁力搅拌的温度为室温,转速为300-500r/min。
3.根据权利要求2所述的中空氮掺杂活性炭负载氧化铈脱硝催化剂的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中超声频率为20-80kHz,超声温度为室温,超声时间为2-4h。
4.根据权利要求2所述的中空氮掺杂活性炭负载氧化铈脱硝催化剂的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中聚乙烯吡咯烷酮的分子量为30000。
5.根据权利要求2所述的中空氮掺杂活性炭负载氧化铈脱硝催化剂的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中纤维的种类为羊毛,棉,聚酯中的任意一种。
6.根据权利要求2所述的中空氮掺杂活性炭负载氧化铈脱硝催化剂的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中活性炭与尿素的质量比为1:1.5。
7.根据权利要求2所述的中空氮掺杂活性炭负载氧化铈脱硝催化剂的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中,烘干温度为60-100℃。
8.根据权利要求2所述的中空氮掺杂活性炭负载氧化铈脱硝催化剂的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中,焙烧温度为550-650℃,焙烧时间为2-6h,升温速率为2-5℃/min。
9.一种采用如权利要求1-8任意一项所述中空氮掺杂活性炭负载氧化铈脱硝催化剂的制备方法在制备脱硝催化剂中的应用。
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