CN116371429A - 一种负载型钒酸盐脱硝催化剂及其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种负载型钒酸盐脱硝催化剂及其制备方法和用途,采用钒酸盐和二氧化铈为负载物,酸化的氧化物为载体,通过控制二氧化铈的结构和催化剂的组成,并且通过负载与酸化相结合的方式,拓宽了催化剂的操作温度窗口,提高了催化剂的抗水抗硫性能;降低了催化剂的含钒量,提高了催化剂活性和热稳定性,且制备工艺简单,制备原料易得,成本较低。
Description
技术领域
本申请涉及烟气脱硝催化剂制备技术领域,特别尤其涉及一种负载型钒酸盐脱硝催化剂及其制备方法和用途。
背景技术
氮氧化物(NOx)污染严重威胁着人类健康和生态环境,降低氮氧化物的排放一直是我国治理大气污染问题的重要措施之一。
国内对NOx的排放控制日趋严格,因此与脱硝有关的新技术将是国内环保领域研究开发的新热点。氨气选择性催化还原法(NH3-SCR)是目前主流的脱除氮氧化物的应用技术,而催化剂是此技术的核心,决定了SCR脱硝系统的效能和经济性。目前应用最为广泛的商用NH3-SCR催化剂是V2O5-WO3(MoO2)/TiO2催化剂,广泛用于燃煤电厂和工业锅炉等固定源的尾端烟气脱硝装置。但其仍存在活性温度窗口窄(300~400℃)、反应温度高以及高温下V2O5易挥发产生污染等问题。
为此,现有技术中对商用脱硝催化剂进行改进,如采用掺杂、改性等方式,但仍存在活性温度窗口窄、脱硝性能和抗中毒效果低;含钒量较高,二次污染可能性大;制备工艺较复杂等问题。
因此,如何提供一种工作温度低、抗中毒能力强、环境友好和高效的新型NH3-SCR脱硝催化剂,已成为迫切需要解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题,本申请提供了一种负载型钒酸盐脱硝催化剂,包括负载物和载体,所述负载物包括二氧化铈和钒酸盐,所述载体为酸化的氧化物。
所述负载物分阶段负载在载体上,优选的,第一阶段负载为所述二氧化铈和酸化的氧化物载体以机械方式混合;第二阶段负载为在所述二氧化铈和载体的混合物上合成并负载钒酸盐。
可选的,所述负载型钒酸盐脱硝催化剂满足下述特征中的至少之一:
所述二氧化铈的结构包括纳米片、纳米棒或纳米颗粒中的任意一种或至少两种的组合;
所述钒酸盐包括FeVO4、CeVO4、InVO4、Cu3(VO4)2或MnV2O6中的任意一种或至少两种的组合;
所述载体为酸化的SnO2、SiO2、TiO2、Al2O3或ZrO2中的任意一种或至少两种的组合。
可选的,所述负载型钒酸盐脱硝催化剂满足下述特征中的至少之一:
所述二氧化铈在所述负载型钒酸盐脱硝催化剂中所占的质量比例为0%~95%;
所述钒酸盐在所述负载型钒酸盐脱硝催化剂中所占的质量比例为0.05%~100%;
可选的,所述二氧化铈在所述负载型钒酸盐脱硝催化剂中所占的质量比例为0%~25.5%;
可选的,所述二氧化铈在所述负载型钒酸盐脱硝催化剂中所占的质量比例为13.5%~25.5%;
可选的,所述二氧化铈在所述负载型钒酸盐脱硝催化剂中所占的质量比例为13.5%~95%;
可选的,所述钒酸盐在所述负载型钒酸盐脱硝催化剂中所占的质量比例为1.5%~4.5%。
可选的,所述钒酸盐在所述负载型钒酸盐脱硝催化剂中所占的质量比例为1.5%~80%;
可选的,所述钒酸盐在所述负载型钒酸盐脱硝催化剂中所占的质量比例为1.5%~100%;
可选的,当二氧化铈和钒酸盐在所述负载型钒酸盐脱硝催化剂中所占的质量比例之和为100%时,所述负载型钒酸盐脱硝催化剂由负载物二氧化铈和钒酸盐组成。
可选的,所述酸化包括硫酸酸化、磷酸酸化、甲酸酸化、柠檬酸酸化、草酸酸化或醋酸酸化中的任意一种或至少两种的组合。
本申请提供的一种负载型钒酸盐脱硝催化剂,所述催化剂的反应空速为1000~240000mL·g-1·h-1,催化应用的温度范围为150~450℃。
本申请还提供了负载型钒酸盐脱硝催化剂的制备方法,所述负载型钒酸盐脱硝催化剂为上述所述的负载型钒酸盐脱硝催化剂,所述方法包括以下步骤:
S1:提供二氧化铈纳米材料、酸化的氧化物载体、金属盐溶液和钒酸盐溶液;
S2:将金属盐溶液与所述二氧化铈纳米材料、所述酸化的氧化物载体混合,得到混合溶液,将钒酸盐溶液与所述混合溶液混合,得到催化剂前驱物混合物;
S3:将得到的催化剂前驱物混合物洗涤后煅烧,得到所述负载型钒酸盐脱硝催化剂。
优选的,所述方法满足下述特征中的至少之一:
所述金属盐溶液为硝酸铁、醋酸铁、氯化铁或硫酸铁,硝酸铈、醋酸铈、氯化铈或硫酸铈,硝酸铟、醋酸铟、氯化铟或硫酸铟,硝酸铜、醋酸铜、氯化铜或硫酸铜,硝酸锰、醋酸锰、氯化锰或硫酸锰的任意一种或至少两种的组合溶液;
所述钒酸盐溶液为偏钒酸铵溶液、偏钒酸钠、偏钒酸钾、钒酸铵、钒酸钠、钒酸钾或氧化钒悬浊液。
优选的,所述二氧化铈纳米材料的制备包括以下步骤:
S11:将可溶性铈盐溶解于水中,得到铈盐溶液;
S12:将沉淀剂溶解于水中,得到沉淀剂溶液;
S13:混合所述铈盐溶液和所述沉淀剂溶液并搅拌,静置老化或水热处理后,离心、洗涤,得到二氧化铈前驱物;
S14:焙烧所述二氧化铈前驱物,得到所述二氧化铈纳米材料。
优选的,所述铈盐包括硝酸铈、醋酸铈、氯化铈或硫酸铈的任一种或多种。
优选的,所述沉淀剂包括碳酸氢铵、碳酸铵、氨水或氢氧化钠的任一种或多种。
优选的,所述酸化的氧化物载体的制备方法包括以下步骤:
S21:水溶解或混合氧化物的前驱物盐并搅拌,搅拌的同时加入浓氨水,达到预设pH值后静置放置,得到沉淀物;
S22:采用乙酸铵溶液或水洗涤、离心所述沉淀物;
S23:干燥所述沉淀物,得到氧化物载体前驱物;
S24:按照预设比例将氧化物或者氧化物载体前驱物置于酸溶液中浸渍,对浸渍处理后的氧化物或者氧化物载体前驱物进行离心和焙烧,得到所述酸化的氧化物载体。
本申请提供的一种负载型钒酸盐脱硝催化剂的应用在于,其特征在于,所述脱硝催化剂用于氨选择性催化还原氮氧化物的反应。
与现有技术相比,本申请的有益效果如下:
本申请提供一种负载型钒酸盐脱硝催化剂,采用二氧化铈和钒酸盐为负载物,酸化的氧化物为载体,通过控制二氧化铈的结构和催化剂的组成,并且将酸化与负载相结合,使得本申请的催化剂具有以下优异的性能。
⑴所用原料易得,成本较低,制备工艺简单,相比复杂的制备工艺具有明显优势。
⑵催化剂具有优异的中低温活性,当含钒量被调控到较低范围(0.3%~3%)时,仍具有优异的中低温活性,降低了高温下钒挥发污染空气的问题;操作温度窗口为150~450℃,范围宽。
⑶抗水抗硫性能优异,在220~425℃范围内,在H2O和SO2的共同影响下可保持90%以上的NOx转化率。
⑷热稳定性强,钒酸盐相较于传统的钒氧化物具有较高的分解温度,在使用温度条件下不易发生分解。
⑸采用特殊的酸化与分阶段负载相结合的制备方式,增加催化剂的表面酸性位点和活性位点的利用效率。增强负载物与载体的结合力度,可用于制备各种负载型脱硝催化剂,普适性强。
附图说明
为了更清楚地说明本申请所述的负载型钒酸盐脱硝催化剂及其制备方法,下面将对实施例所需要的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它附图。
图1本申请一种负载型钒酸盐脱硝催化剂的制备流程示意图;
图2为在反应空速为50,000h-1时,不同温度下催化剂的NOx转化率对比图;
图3为在反应空速为50,000h-1时,不同温度下催化剂的N2选择性对比图;
图4为在275℃通入100ppm SO2和5vol.%H2O时催化剂的NOx转化率随时间的变化图;
图5为在275℃通入100ppm SO2和5vol.%H2O时催化剂的N2选择性随时间的变化图。
图中:横坐标为反应温度或时间,纵坐标为氮氧化物转化率或N2选择性。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。参选以下本发明的优选实施方法的详述以及包括的实施例可更容易地理解本发明的内容。除非另有限定,本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时,以本说明书中的定义为准。
为了下面的详细描述的目的,应当理解,本发明可采用各种替代的变化和步骤顺序,除非明确规定相反。此外,除了在任何操作实例中,或者以其他方式指出的情况下,表示例如说明书和权利要求中使用的成分的量的所有数字应被理解为在所有情况下被术语“约”修饰。因此,除非相反指出,否则在以下说明书和所附权利要求中阐述的数值参数是根据本发明所要获得的期望性能而变化的近似值。至少并不是试图将等同原则的适用限制在权利要求的范围内,每个数值参数至少应该根据报告的有效数字的个数并通过应用普通舍入技术来解释。
尽管阐述本发明的广泛范围的数值范围和参数是近似值,但是具体实例中列出的数值尽可能精确地报告。然而,任何数值固有地包含由其各自测试测量中发现的标准偏差必然产生的某些误差。
当本文中公开一个数值范围时,上述范围视为连续,且包括该范围的最小值及最大值,以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地,当范围是指整数时,包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外,当提供多个范围描述特征或特性时,可以合并该范围。换言之,除非另有指明,否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。例如,从“1至10”的指定范围应视为包括最小值1与最大值10之间的任何及所有的子范围。范围1至10的示例性子范围包括但不限于1至6.1、3.5至7.8、5.5至10等。
本申请提供了一种负载型钒酸盐脱硝催化剂,包括负载物和载体,负载物包括二氧化铈和钒酸盐,载体为酸化的氧化物。
在一些实施例中,二氧化铈为纳米材料,二氧化铈的结构包括纳米片、纳米棒或纳米颗粒中的任意一种或至少两种的组合;钒酸盐包括FeVO4、CeVO4、InVO4、Cu3(VO4)2或MnV2O6中的任意一种或至少两种的组合;酸化的氧化物为酸化的SnO2、SiO2、TiO2、Al2O3或ZrO2中的任意一种或至少两种的组合。
在一些实施例中,二氧化铈在负载型钒酸盐脱硝催化剂中所占的质量比例为0%~95%;
具体地,二氧化铈所占的质量比例的上限值可以为95%,90%,85%,80%,45%,60%,30%,25%;二氧化铈所占的质量比例的下限值可以为0%,0.95%,1%,2%,4%,10%,13%,13.5%,17%,20%,42%,60%;示例性的,二氧化铈在负载型钒酸盐脱硝催化剂中所占的质量比例为0%~30%,0.95%~80%,0%~85%,1%~50%,4.25%~17%,13.5%~25.5%,13.5%~80%,2%~20%,3%~60%,10%~25%,10%~45%,17%~42.5%,20%~45%,42.5%~85%,60%~85%,13.5%~95%。
在一些实施例中,钒酸盐在负载型钒酸盐脱硝催化剂中所占的质量比例为0.05%~100%;
具体地,钒酸盐所占的质量比例的上限值可以为100%,99%,98%,90%,88%,80%,40%,45%,15%,8%,4.5%,3%,1.5%;钒酸盐所占的质量比例的下限值可以为0%,0.05%,1%,1.5%,2%,3%,4%,4.5%,7%,12%,15%,40%,50%,60%,70%,75%,80%;示例性的,钒酸盐在负载型钒酸盐脱硝催化剂中所占的质量比例为0.05%~15%,0.75%~3%;1.5%~4.5%,3%~7.5%,7.5%~15%,1.5%~80%,12%~88%,15%~100%,15%~40%,40%~97%,50~80%,50~99%,60%~100%,70%~100%,75%~90%,80%~98%,1.5%~100%。
当二氧化铈和钒酸盐在所述负载型钒酸盐脱硝催化剂中所占的质量比例之和为100%时,负载型钒酸盐脱硝催化剂不含酸化的氧化物,仅由负载物二氧化铈和钒酸盐组成。
在一些实施例中,酸化包括硫酸酸化、磷酸酸化、甲酸酸化、柠檬酸酸化、草酸酸化或醋酸酸化中的任意一种或至少两种的组合;
具体地,氧化物载体的酸化过程,体现在脱硝催化剂的制备过程中,包括但不限于对载体或载体前驱体的浸渍过程;酸化过程还体现在对载体前驱物的洗涤过程。
本申请还提供了一种负载型钒酸盐脱硝催化剂的制备方法,该负载型钒酸盐脱硝催化剂为上述负载型钒酸盐脱硝催化剂,具体的,其制备方法包括以下步骤:
S1:提供二氧化铈纳米材料、酸化的氧化物载体、金属盐溶液和钒酸盐溶液。
S2:将金属盐溶液与二氧化铈纳米材料、酸化的氧化物载体混合,得到混合溶液,将钒酸盐溶液与混合溶液混合,得到催化剂前驱物混合物,具体地,混合时需要持续搅拌。
在一些实施例中,金属盐溶液为硝酸铁、醋酸铁、氯化铁或硫酸铁,硝酸铈、醋酸铈、氯化铈或硫酸铈,硝酸铟、醋酸铟、氯化铟或硫酸铟,硝酸铜、醋酸铜、氯化铜或硫酸铜,硝酸锰、醋酸锰、氯化锰或硫酸锰的任意一种或至少两种的组合溶液,
钒酸盐溶液为偏钒酸铵、偏钒酸钠、偏钒酸钾、钒酸铵、钒酸钠、钒酸钾溶液或氧化钒悬浊液,
具体地,金属盐溶液和钒酸盐溶液的配比根据钒酸盐在负载型钒酸盐脱硝催化剂中所占的质量比例而定,
在一些实施例中,搅拌速度为200~1000转/分钟。
S3:将得到的催化剂前驱物混合物洗涤后焙烧,得到负载型钒酸盐脱硝催化剂;
具体地,此处焙烧包括干燥及煅烧,干燥条件为50~120℃下干燥2~24h、煅烧条件为300℃~550℃下煅烧1~6h。
在一些实施例中,二氧化铈纳米材料的制备包括以下步骤:
S11:将可溶性铈盐溶解于水中,得到铈盐溶液,
具体地,可溶性铈盐包括硝酸铈、醋酸铈、氯化铈或硫酸铈的任一种或多种,将铈盐溶解在去离子水中;
S12:将沉淀剂溶解于水中,得到沉淀剂溶液,
具体地,沉淀剂包括碳酸氢铵、碳酸铵、氨水或氢氧化钠的任一种或多种,在一些实施例中,沉淀剂为碳酸氢铵;
S13:混合铈盐溶液和沉淀剂溶液并搅拌,静置老化或水热处理后,离心、洗涤,得到二氧化铈前驱物,
具体地,将沉淀剂溶液快速加入至铈盐溶液中,形成混合液。对混合液的搅拌速度为200~1000转/分钟,搅拌时间为5~1440min,静置老化时长范围3~48h,水热反应条件为:
具体地,离心洗涤后,将二氧化铈前驱物放置于50~120℃下干燥2~24h;
S14:焙烧所述二氧化铈前驱物,得到所述二氧化铈纳米材料,
具体地,将二氧化铈前驱物放入马弗炉中,焙烧环境为升温速率:2~20℃/min,预设恒定温度300℃~550℃,在300℃~550℃下保持1~6h。
在一些实施例中,酸化的氧化物载体的制备方法包括以下步骤:
S21:水溶解或混合氧化物载体前驱物盐并搅拌,搅拌的同时加入浓氨水,达到预设pH值后静置放置,得到沉淀物,
具体地,氧化物载体前驱物盐为氯化锡、氯化亚锡、硫酸亚锡、醋酸亚锡、氧氯化锆、硝酸锆、氯化锆、硫酸锆或乙酸锆的任一种或多种,搅拌速度为200~1000转/分钟,浓氨水的质量分数为25%-28%、滴加速度为1.2~3.6mL/min,预设pH范围为8~11,静置条件为室温下12~72h;
S22:采用乙酸铵溶液或去离子水离心、洗涤沉淀物,
具体地,乙酸铵溶液中乙酸铵的质量分数为0.5~10%;
S23:干燥沉淀物,得到氧化物载体前驱物,
具体地,干燥条件为50~120℃下干燥2~24h;
S24:按照预设比例将氧化物或者氧化物载体前驱物置于酸溶液中浸渍,对浸渍处理后的氧化物或者氧化物载体前驱物进行离心和焙烧,得到酸化的氧化物载体,
具体地,此处焙烧包括干燥及煅烧,干燥条件为50~120℃下干燥2~24h、煅烧条件为300℃~550℃下煅烧1~6h,
在一些实施例中,氧化物载体为市售,可省略S21、S22、S23,按照S24中按照预设比例将氧化物置于酸溶液中浸渍,对浸渍处理后的氧化物进行焙烧,得到酸化的氧化物载体,
具体地,酸溶液为0.1~5mol/L稀H2SO4溶液、磷酸溶液、甲酸溶液、柠檬酸溶液、草酸溶液或醋酸溶液,以1~100mL/g的液固比用酸溶液浸渍前驱物载体0.5~48h;浸渍后取出载体前驱物,对浸渍处理后的载体前驱物进行离心和焙烧,此处焙烧包括干燥及煅烧,干燥条件为50~120℃下干燥2~24h、煅烧条件为300℃~550℃下煅烧1~6h。
本申请的负载型钒酸盐脱硝催化剂,可以达到甚至超过现有市售脱硝催化剂的催化效果。本申请采用在二氧化铈和酸化的氧化物表面合成并负载钒酸盐的制备方式,在钒酸盐与二氧化铈纳米材料和酸化的氧化物载体之间,产生强烈的相互作用,增加了负载型钒酸盐脱硝催化剂的比表面积、氧化还原能力以及酸性位数量,表现出优异的脱硝性能。
当催化剂含钒量被调控到较低范围(0.3%~1.5%)时,二氧化铈含量在5%~30%时,催化剂具有优异的中低温活性,操作温度窗口至少为150~450℃,在220~430℃时,可保持90%以上的NOx转化率;
当催化剂含钒量被调控到较低范围(1%~3%)时,二氧化铈含量在15%~90%时,催化剂具有优异的中低温活性,操作温度窗口至少为150~430℃,在175~375℃时,可保持90%以上的NOx转化率。
实施例1
FeVO4-CeO2纳米片/硫酸化的SnO2脱硝催化剂
S11:准备1.39g Ce(NO3)3·6H2O溶解在200mL去离子水中,得到Ce(NO3)3溶液;
S12:准备沉淀剂0.75g NH4HCO3溶解在200mL去离子水中,得到NH4HCO3溶液;
S13:将NH4HCO3溶液快速倒入Ce(NO3)3溶液中,搅拌混合液30分钟,之后将其于室温下静置老化15小时。将静置老化后的沉淀离心、洗涤后得到二氧化铈前驱物。
S14:将二氧化铈前驱物在60℃下干燥12小时,再放入马弗炉中,以2℃/min的速率加热至450℃,并在450℃下保持4小时,制得CeO2纳米片。
S21:称取24.5419g SnCl4·5H2O,加入212.12mL去离子水溶解,强烈搅拌下缓慢滴加浓氨水(AR,25%-28%),滴加速度为1.5mL/min,滴加至溶液达到预设pH=8,之后将其在室温下静置24小时,得到沉淀物。
S22:将得到的沉淀物用质量分数为4%乙酸铵溶液离心洗涤。
S23:干燥沉淀物,将沉淀物放入烘箱,在70℃下干燥12h,得到SnO2载体前驱物。
S24:配制1mol/L的稀H2SO4溶液,以15mL/g的液固比用稀H2SO4浸渍SnO2载体前驱物12h,离心后于70℃下干燥12h,然后在500℃下煅烧3h得到硫酸化的SnO2载体。
S1:称取0.2087g Fe(NO3)3·9H2O和0.0604g NH4VO3,分别加入50mL超纯水搅拌溶解,得到Fe(NO3)3溶液和偏钒酸铵溶液;称取0.7941g CeO2纳米片和5g硫酸化的SnO2载体。
S2:将CeO2纳米片和硫酸化的SnO2载体加入到Fe(NO3)3溶液中,搅拌3小时;在800转/分钟恒定搅拌下,将NH4VO3溶液倒入上述溶液中,再持续搅拌混合物3小时,得到催化剂前驱物混合物。
S3:将催化剂前驱物混合物用去离子水离心洗涤后放入烘箱中,在70℃下干燥12h;将上述样品放在马弗炉中500℃下焙烧5小时获得FeVO4-CeO2纳米片/硫酸化的SnO2脱硝催化剂。
实施例2
FeVO4-CeO2纳米片/硫酸化的TiO2脱硝催化剂
S11:准备1.39g Ce(NO3)3·6H2O溶解在200mL去离子水中,得到Ce(NO3)3溶液;
S12:准备沉淀剂0.75g NH4HCO3溶解在200mL去离子水中,得到NH4HCO3溶液;
S13:将NH4HCO3溶液快速倒入Ce(NO3)3溶液中,搅拌混合液30分钟,之后将其于室温下静置老化15小时。将静置老化后的沉淀离心、洗涤后得到二氧化铈前驱物。
S14:将二氧化铈前驱物在60℃下干燥12小时,再放入马弗炉中,以2℃/min的速率加热至450℃,并在450℃下保持4小时,制得CeO2纳米片。
S24:配制1mol/L的稀H2SO4溶液,以15mL/g的液固比用稀H2SO4浸渍购买的商用TiO212h,离心后于70℃下干燥12小时,然后在500℃下煅烧3h得到硫酸化的TiO2载体。
S1:称取0.2087g Fe(NO3)3·9H2O和0.0604g NH4VO3,分别加入50mL超纯水搅拌溶解,得到Fe(NO3)3溶液和偏钒酸铵溶液;称取0.7941g CeO2纳米片和5g硫酸化的TiO2载体。
S2:将CeO2纳米片和硫酸化的TiO2载体加入到Fe(NO3)3溶液中,搅拌3小时;在800转/分钟恒定搅拌下将NH4VO3溶液倒入上述溶液中,再持续搅拌混合物3h,得到催化剂前驱物混合物。
S3:将催化剂前驱物混合物用去离子水离心洗涤后放入烘箱中,在70℃下干燥12h;将上述样品放在马弗炉中500℃下焙烧5h获得FeVO4-CeO2纳米片/硫酸化的TiO2脱硝催化剂。
实施例3
FeVO4-CeO2纳米片/硫酸化的ZrO2脱硝催化剂
S11:准备1.39g Ce(NO3)3·6H2O溶解在200mL去离子水中,得到Ce(NO3)3溶液;
S12:准备0.75g NH4HCO3溶解在200mL去离子水中,得到NH4HCO3溶液;
S13:将NH4HCO3溶液快速倒入Ce(NO3)3溶液中,搅拌混合液30分钟,之后将其于室温下静置老化15h。将沉淀物离心洗涤后得到二氧化铈前驱物。
S14:将二氧化铈前驱物在60℃下干燥12h,再放入马弗炉中,以2℃/min的速率加热至450℃,并在450℃下保持4h,制得CeO2纳米片。
S21:称取32.2124g ZrOCl2·8H2O置于500mL烧杯中,加入250mL去离子水搅拌溶解,在搅拌下缓慢滴加浓氨水(AR,25%-28%)至上述溶液中,滴加速度为2.0mL/min,滴加至溶液达到预设pH=9,再继续搅拌0.5h,之后在室温下静置24小时,得到的沉淀物。
S22:将沉淀物用去离子水离心洗涤。
S23:将沉淀物放入烘箱在70℃下干燥12小时,得到ZrO2载体前驱物。
S24:配制1mol/L的稀H2SO4溶液,以15mL/g的液固比用稀H2SO4浸渍ZrO2载体前驱物12h,离心后于70℃下干燥12h,然后在500℃下煅烧3h得到硫酸化的ZrO2载体。
S1:称取0.2087g Fe(NO3)3·9H2O和0.0604g NH4VO3,分别加入50mL超纯水搅拌溶解,得到Fe(NO3)3溶液和偏钒酸铵溶液;称取0.7941g CeO2纳米片和5g硫酸化的ZrO2载体。
S2:将CeO2纳米片和硫酸化的ZrO2载体加入到Fe(NO3)3溶液中,搅拌3h;在800转/分钟恒定搅拌下将NH4VO3溶液倒入上述溶液中,再持续搅拌混合物3h,得到催化剂前驱物混合物。
S3:将催化剂混合物用去离子水离心洗涤后放入烘箱中,在70℃下干燥12h;将上述样品放在马弗炉中500℃下焙烧5h获得FeVO4-CeO2纳米片/硫酸化的ZrO2脱硝催化剂。
实施例4
FeVO4-CeO2纳米片/硫酸化的SnO2脱硝催化剂
S11:准备1.39g Ce(NO3)3·6H2O溶解在200mL去离子水中,得到Ce(NO3)3溶液;
S12:准备沉淀剂0.75g NH4HCO3溶解在200mL去离子水中,得到NH4HCO3溶液;
S13:将NH4HCO3溶液快速倒入Ce(NO3)3溶液中,搅拌混合液30分钟,之后将其于室温下静置老化15小时。将静置老化后的沉淀离心、洗涤后得到二氧化铈前驱物。
S14:将二氧化铈前驱物在60℃下干燥12小时,再放入马弗炉中,以2℃/min的速率加热至450℃,并在450℃下保持4小时,制得CeO2纳米片。
S21:称取24.5419g SnCl4·5H2O,加入212.12mL去离子水溶解,强烈搅拌下缓慢滴加浓氨水(AR,25%-28%),滴加速度为1.5mL/min,滴加至溶液达到预设pH=8,之后将其在室温下静置24小时,得到沉淀物。
S22:将得到的沉淀物用质量分数为4%乙酸铵溶液离心洗涤。
S23:干燥沉淀物,将沉淀物放入烘箱,在70℃下干燥12h,得到SnO2载体前驱物。
S24:配制1mol/L的稀H2SO4溶液,以15mL/g的液固比用稀H2SO4浸渍SnO2载体前驱物12h,离心后于70℃下干燥12h,然后在500℃下煅烧3h得到硫酸化的SnO2载体。
S1:称取0.7604g Fe(NO3)3·9H2O和0.2202g NH4VO3,分别加入50mL超纯水搅拌溶解,得到Fe(NO3)3溶液和偏钒酸铵溶液;称取1.8214g CeO2纳米片和5g硫酸化的SnO2载体。
S2:将CeO2纳米片和硫酸化的SnO2载体加入到Fe(NO3)3溶液中,搅拌3小时;在800转/分钟恒定搅拌下,将NH4VO3溶液倒入上述溶液中,再持续搅拌混合物3小时,得到催化剂前驱物混合物。
S3:将催化剂前驱物混合物用去离子水离心洗涤后放入烘箱中,在70℃下干燥12h;将上述样品放在马弗炉中500℃下焙烧5小时获得FeVO4-CeO2纳米片/硫酸化的SnO2脱硝催化剂。
实施例5
FeVO4-CeO2纳米片/硫酸化的SnO2脱硝催化剂
S11:准备1.39g Ce(NO3)3·6H2O溶解在200mL去离子水中,得到Ce(NO3)3溶液;
S12:准备沉淀剂0.75g NH4HCO3溶解在200mL去离子水中,得到NH4HCO3溶液;
S13:将NH4HCO3溶液快速倒入Ce(NO3)3溶液中,搅拌混合液30分钟,之后将其于室温下静置老化15小时。将静置老化后的沉淀离心、洗涤后得到二氧化铈前驱物。
S14:将二氧化铈前驱物在60℃下干燥12小时,再放入马弗炉中,以2℃/min的速率加热至450℃,并在450℃下保持4小时,制得CeO2纳米片。
S21:称取24.5419g SnCl4·5H2O,加入212.12mL去离子水溶解,强烈搅拌下缓慢滴加浓氨水(AR,25%-28%),滴加速度为1.5mL/min,滴加至溶液达到预设pH=8,之后将其在室温下静置24小时,得到沉淀物。
S22:将得到的沉淀物用质量分数为4%乙酸铵溶液离心洗涤。
S23:干燥沉淀物,将沉淀物放入烘箱,在70℃下干燥12h,得到SnO2载体前驱物。
S24:配制1mol/L的稀H2SO4溶液,以15mL/g的液固比用稀H2SO4浸渍SnO2载体前驱物12h,离心后于70℃下干燥12h,然后在500℃下煅烧3h得到硫酸化的SnO2载体。
S1:称取0.0060g Fe(NO3)3·9H2O和0.0017g NH4VO3,分别加入50mL超纯水搅拌溶解,得到Fe(NO3)3溶液和偏钒酸铵溶液;称取0.0480g CeO2纳米片和5g硫酸化的SnO2载体。
S2:将CeO2纳米片和硫酸化的SnO2载体加入到Fe(NO3)3溶液中,搅拌3小时;在800转/分钟恒定搅拌下,将NH4VO3溶液倒入上述溶液中,再持续搅拌混合物3小时,得到催化剂前驱物混合物。
S3:将催化剂前驱物混合物用去离子水离心洗涤后放入烘箱中,在70℃下干燥12h;将上述样品放在马弗炉中500℃下焙烧5小时获得FeVO4-CeO2纳米片/硫酸化的SnO2脱硝催化剂。
实施例6
FeVO4-CeO2纳米棒/磷酸化的TiO2脱硝催化剂
S11:准备1.9035g Ce(CH3CO2)3·nH2O溶解在20mL去离子水中,得到Ce(CH3CO2)3溶液;
S12:准备沉淀剂16.8g NaOH溶解在60mL去离子水中,得到NaOH溶液;
S13:将NaOH溶液快速倒入Ce(CH3CO2)3溶液中,搅拌混合液30分钟,将溶液放入反应釜中进行水热反应,水热条件:180℃反应12h,离心洗涤反应产物,得到二氧化铈前驱物。
S14:将二氧化铈前驱物在60℃下干燥12小时,再放入马弗炉中,以5℃/min的速率加热至450℃,并在450℃下保持3小时,制得CeO2纳米棒。
S24:配制3mol/L的稀H3PO4溶液,以30mL/g的液固比用稀H3PO4浸渍购买的商用TiO212h,离心后于60℃下干燥20小时,然后在550℃下煅烧4h得到磷酸化的TiO2载体。
S1:称取0.2087g Fe(NO3)3·9H2O和0.0604g NH4VO3,分别加入50mL超纯水搅拌溶解,得到Fe(NO3)3溶液和偏钒酸铵溶液;称取0.7941g CeO2纳米片和5g磷酸化的TiO2载体。
S2:将CeO2纳米棒和磷酸化的TiO2载体加入到Fe(NO3)3溶液中,搅拌3小时;在800转/分钟恒定搅拌下将NH4VO3溶液倒入上述溶液中,再持续搅拌混合物3h,得到催化剂前驱物混合物。
S3:将催化剂前驱物混合物用去离子水离心洗涤后放入烘箱中,在70℃下干燥12h;将上述样品放在马弗炉中500℃下焙烧5h获得FeVO4-CeO2纳米棒/磷酸化的TiO2脱硝催化剂。
实施例7
FeVO4脱硝催化剂
S1:称取2.4240g Fe(NO3)3·9H2O和0.7019g NH4VO3,分别加入50mL超纯水搅拌溶解,得到Fe(NO3)3溶液和偏钒酸铵溶液。
S2:在800转/分钟恒定搅拌下,将NH4VO3溶液倒入上述溶液中,再持续搅拌混合物3小时,得到催化剂前驱物混合物。
S3:将催化剂前驱物混合物用去离子水离心洗涤后放入烘箱中,在70℃下干燥12h;将上述样品放在马弗炉中500℃下焙烧5小时获得FeVO4脱硝催化剂。
实施例8
FeVO4/硫酸化的SnO2脱硝催化剂
S21:称取24.5419g SnCl4·5H2O,加入212.12mL去离子水溶解,强烈搅拌下缓慢滴加浓氨水(AR,25%-28%),滴加速度为1.5mL/min,滴加至溶液达到预设pH=8,之后将其在室温下静置24小时,得到沉淀物。
S22:将得到的沉淀物用质量分数为4%乙酸铵溶液离心洗涤。
S23:干燥沉淀物,将沉淀物放入烘箱,在70℃下干燥12h,得到SnO2载体前驱物。
S24:配制1mol/L的稀H2SO4溶液,以15mL/g的液固比用稀H2SO4浸渍SnO2载体前驱物12h,离心后于70℃下干燥12h,然后在500℃下煅烧3h得到硫酸化的SnO2载体。
S1:称取2.4240g Fe(NO3)3·9H2O和0.7019g NH4VO3,分别加入50mL超纯水搅拌溶解,得到Fe(NO3)3溶液和偏钒酸铵溶液;称取0.2560g硫酸化的SnO2载体。
S2:将硫酸化的SnO2载体加入到Fe(NO3)3溶液中,搅拌3小时;在800转/分钟恒定搅拌下,将NH4VO3溶液倒入上述溶液中,再持续搅拌混合物3小时,得到催化剂前驱物混合物。
S3:将催化剂前驱物混合物用去离子水离心洗涤后放入烘箱中,在70℃下干燥12h;将上述样品放在马弗炉中500℃下焙烧5小时获得FeVO4/硫酸化的SnO2脱硝催化剂。
实施例9
FeVO4-CeO2纳米片脱硝催化剂
S11:准备1.39g Ce(NO3)3·6H2O溶解在200mL去离子水中,得到Ce(NO3)3溶液;
S12:准备沉淀剂0.75g NH4HCO3溶解在200mL去离子水中,得到NH4HCO3溶液;
S13:将NH4HCO3溶液快速倒入Ce(NO3)3溶液中,搅拌混合液30分钟,之后将其于室温下静置老化15小时。将静置老化后的沉淀离心、洗涤后得到二氧化铈前驱物。
S14:将二氧化铈前驱物在60℃下干燥12小时,再放入马弗炉中,以2℃/min的速率加热至450℃,并在450℃下保持4小时,制得CeO2纳米片。
S1:称取0.1245g Fe(NO3)3·9H2O和0.0360g NH4VO3,分别加入50mL超纯水搅拌溶解,得到Fe(NO3)3溶液和偏钒酸铵溶液;称取1g CeO2纳米片。
S2:将CeO2纳米片加入到Fe(NO3)3溶液中,搅拌3小时;在800转/分钟恒定搅拌下,将NH4VO3溶液倒入上述溶液中,再持续搅拌混合物3小时,得到催化剂前驱物混合物。
S3:将催化剂前驱物混合物用去离子水离心洗涤后放入烘箱中,在70℃下干燥12h;将上述样品放在马弗炉中500℃下焙烧5小时获得FeVO4-CeO2纳米片脱硝催化剂。
实施例10
FeVO4-CeO2纳米片脱硝催化剂
S11:准备1.39g Ce(NO3)3·6H2O溶解在200mL去离子水中,得到Ce(NO3)3溶液;
S12:准备沉淀剂0.75g NH4HCO3溶解在200mL去离子水中,得到NH4HCO3溶液;
S13:将NH4HCO3溶液快速倒入Ce(NO3)3溶液中,搅拌混合液30分钟,之后将其于室温下静置老化15小时。将静置老化后的沉淀离心、洗涤后得到二氧化铈前驱物。
S14:将二氧化铈前驱物在60℃下干燥12小时,再放入马弗炉中,以2℃/min的速率加热至450℃,并在450℃下保持4小时,制得CeO2纳米片。
S1:称取0.4174g Fe(NO3)3·9H2O和0.1209g NH4VO3,分别加入50mL超纯水搅拌溶解,得到Fe(NO3)3溶液和偏钒酸铵溶液;称取1g CeO2纳米片。
S2:将CeO2纳米片加入到Fe(NO3)3溶液中,搅拌3小时;在800转/分钟恒定搅拌下,将NH4VO3溶液倒入上述溶液中,再持续搅拌混合物3小时,得到催化剂前驱物混合物。
S3:将催化剂前驱物混合物用去离子水离心洗涤后放入烘箱中,在70℃下干燥12h;将上述样品放在马弗炉中500℃下焙烧5小时获得FeVO4-CeO2纳米片脱硝催化剂。
实验测试分析:
活性评价的测试条件:将催化剂分别进行压片、研碎和过筛,取40-60目颗粒放入固定床反应器中。催化剂的使用量为0.6mL,反应条件为:[NO]=500ppm,[NH3]=500ppm,[O2]=5vol.%,N2为平衡气,气体总流量为500mL/min,空速为50,000h-1,NO和NH3及副产物N2O、NO2均利用Antaris IGS烟气分析仪进行分析。
抗水抗硫性能测试条件:将催化剂分别进行压片、研碎和过筛,取40-60目颗粒放入固定床反应器中。催化剂的使用量为0.6mL,反应条件为:[NO]=500ppm,[NH3]=500ppm,[O2]=5vol%,[SO2]=100ppm,[H2O]=5vol.%,N2为平衡气,气体总流量为500mL/min,空速为50,000h-1,NO和NH3及副产物N2O、NO2均利用Antaris IGS烟气分析仪进行分析。
结果如附图2和附图3所示,实施例一至三在220~430℃内NOx转化率均在90%以上,本申请的负载型钒酸盐脱硝催化剂,通过特殊的酸化和分阶段负载,将脱硝催化剂的操作温度窗口拓宽至150~450℃,降低了脱硝过程的温度对催化剂活性的影响;另外,实施例一至三在高活性温度窗口(220~430℃)内都保持了较高的N2选择性,在98.6%以上。
在250~400℃的温度范围内,实施例一的NOx转化率可达到100%。如附图4和附图5所示,在通入H2O+SO2约24小时之后,实施例一的NOx转化率仍保持在90%以上;停止通入H2O+SO2后,实施例一的NOx转化率可恢复到99%以上,恢复率超过99%。
在270~400℃的温度范围内,实施例二的NOx转化率可达到100%。在通入H2O+SO2约24小时之后,实施例二的NOx转化率保持在80%以上;停止通入H2O+SO2后,实施例一、实施例二的NOx转化率可恢复到99%以上,恢复率超过99%。
在270~375℃的温度范围内,实施例三的NOx转化率可达到95%以上。如附图4和附图5所示,在通入H2O+SO2约24小时之后,实施例三的NOx转化率降低较多;停止通入H2O+SO2后,实施例三的NOx转化率可恢复到60%以上,恢复率超过60%。
在整个测试过程中,所有催化剂样品的N2选择性未发生明显变化,几乎为100%。由此可知,H2O和SO2的存在不会对本申请的负载型钒酸盐脱硝催化剂的一些实施例产生不可逆失活,并且在H2O和SO2的影响下也能保持较高的脱硝效率,特别是实施例一,表现出十分优异的抗水抗硫性能。
以上所揭露的仅为本申请一种较佳实施例而已,当然不能以此来限定本申请之权利范围,因此依本申请权利要求所作的等同变化,仍属本申请所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种负载型钒酸盐脱硝催化剂,其特征在于,包括负载物和载体,所述负载物包括二氧化铈和钒酸盐,所述载体为酸化的氧化物。
2.根据权利要求1所述的负载型钒酸盐脱硝催化剂,其特征在于,所述负载型钒酸盐脱硝催化剂满足下述特征中的至少之一:
所述二氧化铈的结构包括纳米片、纳米棒或纳米颗粒中的任意一种或至少两种的组合;
所述钒酸盐包括FeVO4、CeVO4、InVO4、Cu3(VO4)2或MnV2O6中的任意一种或至少两种的组合;
所述载体为酸化的SnO2、SiO2、TiO2、Al2O3或ZrO2中的任意一种或至少两种的组合。
3.根据权利要求1所述的负载型钒酸盐脱硝催化剂,其特征在于,所述负载型钒酸盐脱硝催化剂满足下述特征中的至少之一:
所述二氧化铈在所述负载型钒酸盐脱硝催化剂中所占的质量比例为0%~95%;
所述钒酸盐在所述负载型钒酸盐脱硝催化剂中所占的质量比例为0.05%~100%。
4.根据权利要求1所述的负载型钒酸盐脱硝催化剂,其特征在于,所述酸化包括硫酸酸化、磷酸酸化、甲酸酸化、柠檬酸酸化、草酸酸化或醋酸酸化中的任意一种或至少两种的组合。
5.根据权利要求1~4任意一项所述的负载型钒酸盐脱硝催化剂的制备方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
S1:提供二氧化铈纳米材料、酸化的氧化物载体、金属盐溶液和钒酸盐溶液;
S2:将金属盐溶液与所述二氧化铈纳米材料、所述酸化的氧化物载体混合,得到混合溶液,将钒酸盐溶液与所述混合溶液混合,得到催化剂前驱物;
S3:将得到的催化剂前驱物洗涤后焙烧,得到所述负载型钒酸盐脱硝催化剂。
6.根据权利要求5所述的负载型钒酸盐脱硝催化剂的制备方法,其特征在于,所述方法满足下述特征中的至少之一:
所述金属盐溶液为硝酸铁、醋酸铁、氯化铁或硫酸铁,硝酸铈、醋酸铈、氯化铈或硫酸铈,硝酸铟、醋酸铟、氯化铟或硫酸铟,硝酸铜、醋酸铜、氯化铜或硫酸铜,硝酸锰、醋酸锰、氯化锰或硫酸锰的任意一种或至少两种的组合溶液;
所述钒酸盐溶液为偏钒酸铵、偏钒酸钠、偏钒酸钾、钒酸铵、钒酸钠、钒酸钾溶液或氧化钒悬浊液。
7.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述二氧化铈纳米材料的制备包括以下步骤:
S11:将可溶性铈盐溶解于水中,得到铈盐溶液;
S12:将沉淀剂溶解于水中,得到沉淀剂溶液;
S13:混合所述铈盐溶液和所述沉淀剂溶液并搅拌,静置老化或水热处理后,离心、洗涤,得到二氧化铈前驱物;
S14:焙烧所述二氧化铈前驱物,得到所述二氧化铈纳米材料。
8.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,
所述铈盐包括硝酸铈、醋酸铈、氯化铈或硫酸铈的任一种或多种;
所述沉淀剂包括碳酸氢铵、碳酸铵、氨水或氢氧化钠的任一种或多种。
9.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述酸化的氧化物载体的制备方法包括以下步骤:
S21:水溶解或混合氧化物的前驱物盐并搅拌,搅拌的同时加入浓氨水,达到预设pH值后静置放置,得到沉淀物;
S22:采用乙酸铵溶液或水洗涤、离心所述沉淀物;
S23:干燥所述沉淀物,得到氧化物载体前驱物;
S24:按照预设比例将氧化物或者氧化物载体前驱物置于酸溶液中浸渍,对浸渍处理后的氧化物或者氧化物载体前驱物进行离心和焙烧,得到所述酸化的氧化物载体。
10.根据权利要求1~4中任一项所述的一种负载型钒酸盐脱硝催化剂的应用,其特征在于,所述脱硝催化剂用于氨选择性催化还原氮氧化物的反应。
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