化学气相沉积法制备催化燃烧丙酮的微纤复合LTA分子筛膜催化剂研究
作者单位：华南理工大学
学位级别：硕士
导师姓名：张会平
授予年度：2017年
学科分类：081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术]
主 题：化学气相沉积法 湿法浸渍法 微纤复合LTA分子筛膜 丙酮 金属有机盐
摘 要：作为一个精细化工强国,我国各类制药厂、精细化工厂遍及各地,尤其是长江三角洲、珠江三角洲及京津唐等工业发达地区,部分经由这些工厂排放的挥发性有机化合物(volatile organic compounds,VOCs)未经处理,对大气环境造成严重污染。目前,净化处理VOCs的方法主要有吸收法、冷凝法、吸附法、膜分离法、催化燃烧法、光催化法、生物降解法等。其中,催化燃烧法因为具有适用范围广、处理效率高,安全性高等优点而广受关注。其中催化剂的制备是催化燃烧法的核心技术。然而,由颗粒或粉末型催化材料装填而成的传统固定床反应器普遍存在传质传热阻力大、床层压降大及接触效率低等缺点,且由传统方法如湿法浸渍法、水热合成法等方法制备的催化剂往往存在原子利用率不高、团聚现象严重、分散度不好等缺点,因此,研究发展新的高效的催化剂制备技术制备新型的结构化分子筛膜催化材料应用于VOCs的催化燃烧,降低传质传热阻力和床层压降、提高接触效率,是一项前沿性的研究课题。本文采用化学气相沉积法(chemical vapor deposition,CVD)初步研究制备了Cu/LTA/PSSF和Fe/LTA/PSSF催化剂,并系统地研究了所制备的微纤复合分子筛膜催化剂的表征以及对丙酮的催化燃烧性能,探讨化学气相沉积法在微纤复合分子筛膜催化剂的制备方面的可行性及其应用潜力。首先,研究了微纤复合分子筛膜催化剂Cu/LTA/PSSF的制备工艺及其在结构化分子筛膜反应器中对丙酮的催化燃烧性能。采用湿法造纸工艺和烧结技术制备了纸状烧结不锈钢纤维载体(paper-like sintered stainless steel fibers,PSSF),在其表面通过原位水热合成法合成LTA分子筛膜,得到微纤复合分子筛膜材料LTA/PSSF,通过XRD、SEM和N2吸脱附表征结果可知,连续均匀的LTA分子筛膜成功地生长在PSSF载体表面,膜的厚度可达到3μm。以乙酰丙酮铜为活性组分前驱物,采用化学气相沉积法和煅烧工艺成功地在微纤复合LTA分子筛膜表面制备了一层均匀的CuO组分,制得了Cu/LTA/PSSF催化剂并考察其对丙酮的催化燃烧性能。同时探讨金属活性组分负载量、煅烧工艺、制备方法和载体对催化剂催化活性的影响。表征结果表明,通过化学气相沉积法负载的CuO颗粒粒径(14 nm)远小于通过湿法浸渍法合成的CuO颗粒粒径(25 nm),且CuO的分散度明显优于通过湿法浸渍法负载的CuO。催化实验结果表明,CVD法制备的催化剂催化活性与负载量的大小有关,负载量从1%升高到10%时,T50和T90均下降了20℃左右。在理论负载量相同的条件下,采用浸渍法制备的催化剂其催化活性比采用化学气相沉积法制备的催化剂活性各有优势,温度较低时,采用浸渍法制备的催化剂催化活性较高,温度较高时,采用化学气相沉积法制备的催化剂活性较高。微纤复合LTA分子筛膜催化剂的T90比LTA分子筛颗粒催化剂低46℃。其次,研究了微纤复合分子筛膜催化剂Fe/LTA/PSSF的制备工艺及其在结构化分子筛膜反应器中对丙酮的催化燃烧性能。以乙酰丙酮铁为活性组分前驱物,采用化学气相沉积法和煅烧工艺成功地在微纤复合LTA分子筛膜表面制备了一层均匀的Fe2O3组分,制得了Fe/LTA/PSSF催化剂并考察其对丙酮的催化燃烧性能。通过XRD、SEM、EDS mapping、BET、XPS和H2-TPR等手段对所制备的微纤复合LTA分子筛膜的晶型结构、微观形貌、活性组分分布、孔结构、活性组分价态和催化剂还原性能进行表征同时探讨金属活性组分负载量、煅烧工艺、制备方法和载体对催化剂催化活性的影响。H2-TPR和XPS分析结果表明,所制备的催化剂其活性组分主要以Fe3+的价态存在且具有良好的还原性能。催化实验结果表明,催化剂的催化活性随着负载量的升高而加强,经过煅烧的催化剂10%Fe/LTA/PSSF-IM催化活性最高。在理论负载量相同的情况下,湿法浸渍法制备的10%Fe/LTA/PSSF-IM催化剂的催化活性高于CVD法制备的10%Fe/LTA/PSSF-CVD催化剂,其分别T50和T90低17℃和22℃,微纤复合分子筛膜载体的性能显著优于分子筛颗粒载体,两者之间的T50和T90之差分别达到44℃和69℃。同时,研究发现,Fe催化剂的活性优于Cu催化剂,从其各自的T50和T90来看,10%Fe/LTA/PSSF-CVD相比10%Cu/LTA/PSSF-CVD分别低43℃和50℃。
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