Mn基催化剂的制备及其在低温脱硝中的应用

作     者：田俊奇 

作者单位：石河子大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王强

授予年度：2020年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：Mn基催化剂 低温脱硝 氨逃逸 高剪切 快速浇注 3D打印成型 

摘      要：氮氧化物(NO,NO和NO)一直作为大气的主要的污染物危害着生物体的健康和破坏生态环境系统。为了有效消除NO,研究者对NO的消除技术进行了系统研究,NH选择性催化还原技术(NH-SCR)被认为是最具有实用价值的方法。目前的工业应用较广的NH-SCR催化剂主要VO-WO/TiO基催化剂和Mn基催化剂。VO-WO/TiO基催化剂温度窗口较窄(300-400C),且钒有毒易造成再次污染。但是作为低温SCR催化剂,仍然存在操作温度窗口窄、成本高、和易产生危废等不足。Mn基低温NH-SCR催化剂是目前研究的着重点。相比其他金属元素,Mn元素(3d54s2)的d轨道电子处于半充满状态,电子容易迁移使Mn而具有多种价态,Mn不同价态的相互转化使其具有氧化还原性,能促进NH-SCR反应的进行。但是,依然面临着低温活性差、氨气零逃逸严重等问题。本文通过分子结构调控制备了不同的Mn基催化剂,重点研究了锰基催化剂的低温活性、氨气零逃逸和催化剂成型等性能。详细内容如下:(1)高剪切辅助共沉淀法(HSM-CP)制备Mn-Ce-Fe-Al催化剂及其脱硝性能研究。分别采用共沉淀法(CP)和高剪切辅助共沉淀法(HSM-CP)制备了Mn-Ce-Fe-Al金属氧化物脱硝催化剂。相比于传统的沉淀法制备的Mn-Ce-Fe-Al(CP),Mn-Ce-Fe-Al(HSM-CP)催化剂具有良好的物理结构,BET表面积可达224.3 m/g,孔容平均为0.49 cm/g,平均孔径为8.89 nm。Mn-Ce-Fe-Al(HSM-CP)具有较为丰富的氧空位量和表面酸性位点,同时具有优异的低温催化活性和氨气“零逃逸性能。该催化剂在150°C、15300 h空速下,NO转化率高达100%,N选择性为96.5%。即使在室温下,该催化剂依然具有50%的NO转化率。在整个反应温度下氨气的利用率达到共沉淀法90%以上,即使在室温条件下,仍有50%的NO转化率。同时,该催化剂还表现出了良好的的抗HO和抗SO性能。在200 C时,当5%HO引入催化反应体系时,从99.8%略降至94.3%左右,并在停止通水后恢复至初始值;当100 ppm SO+5%HO加入时,NO的转化率从98.3%略降至83.2%。(2)快速浇筑共沉淀法(FP-CP)辅助制备负载型二维层状Mn/MgAl-LDO催化剂及其脱硝性能研究。分别采用慢滴辅助共沉淀法(SD-CP)和快速浇筑共沉淀法(FP-CP)成功制备了二维层状MgAl-LDO水滑石衍生氧化物作为载体,通过等体积浸渍法得到了Mn/MgAl-LDO催化剂。与Mn/MgAl-LDO(CP)相比,Mn/MgAl-LDO(FP-CP)具有优异的比表面积和酸性活性位点,展现了良好的的低温活性和零氨气逃逸率。在150℃、60000 h空速下,该催化剂的NO转化率高达100%,N选择性为90%。在100℃下,依然具有97%的NO转化率和97.3%的N选择性。在整个工况温度下,反应后NH的出口浓度均低于100 ppm,说明该催化剂具有优异的氨气逃逸率。(3)3D打印Mn-Ce-Fe/凹凸棒整体催化剂在脱硝中的性能研究。采用Mn-Ce-Fe/凹凸棒石(ATP)粉体为前驱体,利用3D打印技术,成功制备了整体式催化剂。通过对不同催化剂组分、打印条件的考察,发现直径为3.3 mm×3.3 mm、壁厚为2mm、孔径约为1mm的成型催化剂Mn-Ce-Fe/ATP具有优异的催化活性。该催化剂在100℃、2000h空速下,NO去除率达到50%以上,在400℃达到70%。本研究的结果为以活性金属为基础为NH-SCR催化剂的整体式成型提供了一种新的方法。