高强度Cr/ZSM-5分子筛块体的构筑及其催化氯苯燃烧性能

作     者：杨宗翰 

作者单位：长春工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刁振恒

授予年度：2024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] 

主      题：3D打印技术 Cr掺杂ZSM-5块体 干胶转化 硅烷化棉纤维 催化氯苯燃烧 

摘      要：氯化挥发性有机化合物（CVOCs）由于其易挥发、难降解、高毒性的特性,对生态环境和人类社会具有极大的危害。催化燃烧法因其低能耗、高效率、产物可控、普适性强等优点广泛应用于解决CVOCs环境污染问题。但传统颗粒催化剂普遍存在床层阻力高和传质传热性能差等缺点,这限制了其工业化应用。近年来快速发展的3D打印技术有望解决这一问题。但3D打印块体的机械强度、活性位点浓度和扩散性能之间存在的trade-off关系,成为3D打印催化剂工业应用急需解决的关键问题。本文通过3D打印工艺构筑催化剂的前驱块体,随后基于焊接策略和原位干胶转化法制备一系列高强度、无粘合剂的铬掺杂ZSM-5分子筛（Cr/ZSM-5催化剂块体）。系统研究了焊接结构组成及干胶体系中硅烷化棉纤维含量对催化剂块体的机械强度、结构性质与催化氯苯燃烧性能的影响规律,建立了构效关系,打破了催化剂块体机械强度、扩散性能与活性位点浓度之间的trade-off关系。论文的主要研究结果如下: 1.以硅溶胶为粘结剂,通过3D打印策略将Cr/ZSM-5粉末构筑成块体,随后将粘结剂转化为MFI焊接结构,探究粘结剂中掺杂的铝组分和阳离子聚合物对焊接结构性质及催化氯苯燃烧性能的影响机制,解析了催化反应路径。结果表明,铝组分和阳离子聚合物掺杂的粘结剂经干胶转化形成多级孔ZSM-5焊接结构,不仅提高了块体机械稳定性和水热稳定性,同时因其良好的扩散性能和表面酸性,强化了酸性位脱氯、铬组分深度氧化的串级催化过程,改善了块体催化氯苯燃烧性能。相较于转化前的块体,其抗压强度增加了11.3%,催化氯苯燃烧的T（反应物转化率达到初始浓度50%的反应温度）和T（反应物转化率达到初始浓度50%的反应温度）则分别从170℃和330℃下降至161℃和225℃。 2.为提高Cr物种在催化剂中的分散程度,增加Cr活性物种浓度,将硅烷化棉纤维引入催化剂前驱物中,通过3D打印及随后的原位干胶转化制备Cr/ZSM-5催化剂块体。考察了硅烷化棉纤维含量对催化剂的结构性质、Cr物种状态和催化氯苯燃烧性能的影响规律,揭示其作用机制。结果显示,硅烷化棉纤维中硅甲氧基水解产生的Si-OH基团可有效锚定Cr物种和分子筛前驱体,提高块体机械强度,促进Cr物种形成。但过量硅烷化棉纤维会导致结晶度及机械强度的大幅下降。5 wt%硅烷化棉纤维辅助制备的块体呈现最高的机械强度（3.17 MPa）、Cr物种含量（77.6%）和催化氯苯燃烧反应活性,其T与T分别降至165℃和210℃。