CN115676850A - 一种Fe(Ⅱ)EDTA辅助光催化NO合成氨的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Fe(Ⅱ)EDTA辅助光催化NO合成氨的方法，包括如下步骤：(1)将含Fe的化合物与含EDTA的化合物溶解于水中，得到Fe(Ⅱ)EDTA溶液；(2)在搅拌条件下，将Fe(Ⅱ)EDTA溶液加入到与含有光催化剂与有机污染物的悬浊液中，得到混合溶液，并转移至反应器中；(3)将NO气体连续通入反应器，尾气接入烟气分析仪，待NO吸收饱和后开启光源，进行光催化NO合成氨反应。本发明的NO合成氨路线高效易行，NO去除率达66％，合成氨选择性达98％，合成氨单位产率达7.54mmol g‑1h‑1。
Description
技术领域
本发明涉及一种合成氨方法，具体涉及一种以NO为原料合成氨的方法，特别涉及一种Fe(Ⅱ)EDTA辅助光催化NO合成氨的方法。
背景技术
氨被广泛应用于化肥、制药、纺织、塑料等领域，是人类生活和地球生态的支柱。近年来，研究者发现，氨是一种环保的无碳氢能载体，在运输燃料中有很大应用潜力，这大大提高了对氨的需求。到目前为止，工业级别的产氨主要依赖于哈伯法，该工艺属于能源和资本密集型工艺，存在以下缺点：二氧化碳等副产物排放量高，导致严重的环境问题；能量输入大，造成不必要的能源浪费。为了解决这些问题，寻找一种高效、环保的合成氨方法迫在眉睫。
一氧化氮(NO)作为自然界中氮素化合物之一，是化石燃料燃烧时释放的主要空气污染物，广泛存在于人类生产生活中。NO污染导致酸雨、光化学烟雾的形成，破坏臭氧层，对人类健康造成严重威胁。选择性催化还原(SCR)作为传统的NO治理方法之一，虽然能在一定程度上缓解NO排放，但其存在反应温度高、消耗能源物质氨等问题。最近，研究者提出的催化NO还原合成氨这一反应路径，不仅可以有效去除污染物NO，且能实现氨的生成，在环境治理和能源生产方面都有着巨大前景。然而，目前的催化NO合成氨反应普遍存在NO在水中溶解度低的问题，限制了该技术的进一步发展。
Fe(Ⅱ)EDTA作为一种金属配合物，能够有效螯合NO，形成Fe(Ⅱ)EDTA-NO，使NO从气相转移至液相，大大提高了反应物与催化剂的接触传质，使得光催化反应得以高效发生。这一工艺能够同步实现NO降解以及高效合成氨，在解决环境污染以及能源危机问题方面有着巨大的潜力。
发明内容
本发明的目的在于针对现有NO治理能耗高、合成氨效率低的问题，提供一种以Fe(Ⅱ)EDTA辅助光催化NO合成氨的方法，该方法操作简单，能够同步实现NO降解及高效合成氨。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种以Fe(Ⅱ)EDTA辅助光催化NO合成氨的方法，包括以下步骤：
(1)将含Fe的化合物与含EDTA的化合物溶解于水中，得到Fe(Ⅱ)EDTA溶液；
(2)在搅拌条件下，将Fe(Ⅱ)EDTA溶液加入到与含有光催化剂与有机污染物的悬浊液中，得到混合溶液，并转移至反应器中；
(3)将NO气体连续通入反应器，尾气接入烟气分析仪，待NO吸收饱和后开启光源，进行光催化NO合成氨反应。
进一步地，步骤(1)中所述含Fe化合物选自FeSO4、FeCl2、Fe(NO3)2中的一种或多种，所述含EDTA化合物选自K2EDTA或Na2EDTA中的任意一种。
进一步地，Fe2+和EDTA的摩尔比为1：1或1：2。
进一步地，步骤(1)中所述Fe(Ⅱ)EDTA溶液Fe2+浓度为7.8mmol/L。
进一步地，步骤(2)中搅拌转速为500-1000r/min。
进一步地，步骤(2)中所述Fe(Ⅱ)EDTA溶液体积为0.4-0.8mL。
进一步地，步骤(2)中所述光催化剂为50-200mg。
进一步地，步骤(2)中所述有机污染物选自甲醇、甲醛、乙二醇、乙二醛中的一种或多种，有机污染物体积为5-10mL，所述悬浊液体积为100-200mL。
进一步地，步骤(3)中所述NO浓度为500ppm，流速为60mL/min。
进一步地，步骤(3)中所述光源为氙灯，光强为250mw/cm3。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明利用Fe(Ⅱ)EDTA吸收NO，增强了反应物在反应体系中的传质效率；
(2)本发明提出的方法路线，对NO的降解达66％；
(3)本发明提出的方法路线，合成氨的选择性达98％，产氨效率为7.54mmol g-1h-1；
(4)本发明同步实现了NO降解以及高效合成氨，对于环境治理及能源生产领域都有着重大意义。
附图说明
图1为本发明的NO降解率图；
图2为本发明的合成氨产率图；
图3为NO还原合成氨中含N化合物的变化趋势图；
图4为NO还原合成氨的长周期稳定性图。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
实施例1
一种Fe(Ⅱ)EDTA辅助光催化NO合成氨的方法，包括以下步骤：
(1)Fe(Ⅱ)EDTA溶液的配制：
将1.0g FeCl2和2.8g K2EDTA溶解在1000mL去离子水中，Fe(Ⅱ)EDTA浓度为7.8mmol/L；
(2)反应溶液的配制：
在搅拌转速为1000r/min下，将50mg Au/P25催化剂与10mL甲醛溶解在100mL水中，加入0.4mL Fe(Ⅱ)EDTA溶液，制得反应体系溶液；
(3)光催化反应：
将500ppm NO以60mL/min的流速持续通入反应体系溶液中，在NO浓度达到平衡后，开启氙灯，在光强为250mw/cm3下进行光催化反应。
(4)产物的检测：
将尾气接入烟气分析仪进行实时监测，用光催化反应开始时的浓度减去结束时的NO浓度差，再除以NO初始浓度，得到NO的去除率；将反应溶液离心后，取上清液送入离子色谱进行氨的测定。实验测得NO去除率为21％，合成氨的选择性为82％，产氨效率为3.08mmolg-1h-1。
实施例2
一种Fe(Ⅱ)EDTA辅助光催化NO合成氨的方法，包括以下步骤：
(1)Fe(Ⅱ)EDTA溶液的配制：
将1.0g FeCl2和2.8g K2EDTA溶解在1000mL去离子水中，Fe(Ⅱ)EDTA浓度为7.8mmol/L；
(2)反应溶液的配制：
在搅拌转速为1000r/min下，将50mg Au/P25催化剂与10mL甲醛溶解在100mL水中，加入0.6mL Fe(Ⅱ)EDTA溶液，制得反应体系溶液；
(3)光催化反应：
将500ppm NO以60mL/min的流速持续通入反应体系溶液中，在NO浓度达到平衡后，开启氙灯，在光强为250mw/cm3下进行光催化反应。
(4)产物的检测：
将尾气接入烟气分析仪进行实时监测，用光催化反应开始时的浓度减去结束时的NO浓度差，再除以NO初始浓度，得到NO的去除率；将反应溶液离心后，取上清液送入离子色谱进行氨的测定。实验测得NO去除率为66％，合成氨的选择性为98％，产氨效率为7.54mmolg-1h-1。
实施例3
一种Fe(Ⅱ)EDTA辅助光催化NO合成氨的方法，包括以下步骤：
(1)Fe(Ⅱ)EDTA溶液的配制：
将1.0g FeCl2和2.8g K2EDTA溶解在1000mL去离子水中，Fe(Ⅱ)EDTA浓度为7.8mmol/L；
(2)反应溶液的配制：
在搅拌转速为1000r/min下，将50mg Au/P25催化剂与10mL甲醛溶解在100mL水中，加入0.8mL Fe(Ⅱ)EDTA溶液，制得反应体系溶液；
(3)光催化反应：
将500ppm NO以60mL/min的流速持续通入反应体系溶液中，在NO浓度达到平衡后，开启氙灯，在光强为250mw/cm3下进行光催化反应。
(4)产物的检测：
将尾气接入烟气分析仪进行实时监测，用光催化反应开始时的浓度减去结束时的NO浓度差，再除以NO初始浓度，得到NO的去除率；将反应溶液离心后，取上清液送入离子色谱进行氨的测定。实验测得NO去除率为65％，合成氨的选择性为40％，产氨效率为3.80mmolg-1h-1。
Claims (10)
1.一种以Fe(Ⅱ)EDTA辅助光催化NO合成氨的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将含Fe的化合物与含EDTA的化合物溶解于水中，得到Fe(Ⅱ)EDTA溶液；
(2)在搅拌条件下，将Fe(Ⅱ)EDTA溶液加入到与含有光催化剂与有机污染物的悬浊液中，得到混合溶液，并转移至反应器中；
(3)将NO气体连续通入反应器，尾气接入烟气分析仪，待NO吸收饱和后开启光源，进行光催化NO合成氨反应。
2.根据权利要求1所述以Fe(Ⅱ)EDTA辅助光催化NO合成氨的方法，其特征在于，步骤(1)中所述含Fe化合物选自FeSO4、FeCl2、Fe(NO3)2中的一种或多种，所述含EDTA化合物选自K2EDTA或Na2EDTA中的任意一种。
3.根据权利要求2所述以Fe(Ⅱ)EDTA辅助光催化NO合成氨的方法，其特征在于，Fe2+和EDTA的摩尔比为1：1或1：2。
4.根据权利要求1所述以Fe(Ⅱ)EDTA辅助光催化NO合成氨的方法，其特征在于，步骤(1)中所述Fe(Ⅱ)EDTA溶液Fe2+浓度为7.8mmol/L。
5.根据权利要求1所述以Fe(Ⅱ)EDTA辅助光催化NO合成氨的方法，其特征在于，步骤(2)中搅拌转速为500-1000r/min。
6.根据权利要求1所述以Fe(Ⅱ)EDTA辅助光催化NO合成氨的方法，其特征在于，步骤(2)中所述Fe(Ⅱ)EDTA溶液体积为0.4-0.8mL。
7.根据权利要求1所述以Fe(Ⅱ)EDTA辅助光催化NO合成氨的方法，其特征在于，步骤(2)中所述光催化剂为50-200mg。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述有机污染物选自甲醇、甲醛、乙二醇、乙二醛中的一种或多种，有机污染物体积为5-10mL，所述悬浊液体积为100-200mL。
9.根据权利要求1所述以Fe(Ⅱ)EDTA辅助光催化NO合成氨的方法，其特征在于，步骤(3)中所述NO浓度为500ppm，流速为60mL/min。
10.根据权利要求1所述以Fe(Ⅱ)EDTA辅助光催化NO合成氨的方法，其特征在于，步骤(3)中所述光源为氙灯，光强为250mw/cm3。
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