Ce基核壳催化剂的脱硝性能研究

作     者：史伟云 

作者单位：中国石油大学(华东) 

学位级别：硕士

导师姓名：姜烨;张晓东

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）] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：烟气脱硝 NH3–SCR 核壳结构 CeO2/TiO2催化剂 Fe掺杂 抗硫性能 

摘      要：NO是造成大气污染的主要污染源之一,也是“十三五期间需要降低排放量的主要污染物之一,选择性催化还原技术(NH–SCR)是目前应用最广,效率最高的脱硝技术。催化剂在SCR烟气脱硝技术中占有举足轻重的核心地位。商业中广泛使用的钒系催化剂,尽管表现出较好的脱硝性能和抗硫性,但是该种催化剂的活性组分钒有生物毒性,失活后的钒系催化剂的处理和填埋也会对环境造成二次污染。因此近几年,很多研究学者致力于研制可以被广泛应用的新型环境友好型催化剂。Ce O因价廉无毒且具有出色的储氧能力和氧化还原能力而在催化领域得到广泛研究。核壳催化剂由于其特殊的核壳结构,兼具核体和壳层的属性,具有比普通结构催化剂更优的催化效果和更好的催化稳定性。本文以铈基核壳催化剂为研究课题,用水热法合成了具有核壳结构的脱硝性能良好,抗硫抗水性能优异的CeTi核壳催化剂及Ce Fe Ti复合结构催化剂。用两步水热法合成了CeTi,CeAl,CeSi核壳催化剂并对其脱硝性能进行研究,结果表明当空速为90000 h,在较宽的温度窗口下(250–400°C),CeTi核壳催化剂具有相对于Ce Si、Ce Al更好的脱硝活性。表征结果显示CeTi核壳结构催化剂良好的脱硝性能主要归因于较大的总孔容和孔径,较好的晶相分散性,较多的表面酸性位点以及较高的催化剂表面Ce和化学吸附氧的浓度,从而使得催化剂氧化还原能力提高,进而有利于NH–SCR反应的进行。对不同活性组分配比下的CeTi核壳催化剂的脱硝性能进行了研究,结果发现Ce:Ti为1:0.2的核壳催化剂相对于其他配比的核壳催化剂具有更好的脱硝活性,这主要是由于适量的Ti能够充分发挥Ce,Ti的协同作用,厚度适宜的Ti O外壳可以有效阻止HO和SO对活性组分内核Ce O的中毒作用。同时研究了微观结构对CeTi催化剂脱硝活性的影响,结果发现核壳结构CeTi催化剂具有相对非核壳CeTi催化剂更好的脱硝活性和更宽的反应温度窗口,相同温度下催化剂活性提升可达15%。同时核壳结构显著提升了催化剂对水和二氧化硫的耐受性。表征分析发现核壳结构可以有效降低催化剂活性组分Ce O结晶度,提高催化剂的Ce含量及化学吸附氧含量,增强催化剂氧化还原能力,从而使得催化剂脱硝活性显著提升。对金属掺杂CeTi核壳催化剂的脱硝性能进行研究。由于CeTi核壳催化剂优异的脱硝性能和抗HO抗SO性,以CeTi核壳催化剂为研究对象分别掺杂相同配比的Fe、Mn、Cr、Zr、Cu元素。研究发现,铁掺杂可以显著提高CeTi核壳催化剂的脱硝活性,NO转化率在275°C时可以达到98%,并且具有较宽的温度窗口,在250–350°C均有超过90%的脱硝活性。同时铁的掺杂可以显著提高CeTi核壳催化剂的抗二氧化硫性能。在500 ppm SO条件下反应10小时,Ce Fe Ti催化剂仍能保持87%的NO转化率。表征结果显示Ce Fe Ti催化剂表面氧化铁和Ti O分散良好。FeO的掺杂使得Ce比例增大,化学吸附氧含量增多,氧化还原特性显著增强,因此相比CeTi核壳催化剂,Ce Fe Ti催化剂具有更好的脱硝活性和抗SO中毒的能力。