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六铝酸盐型脱硝催化剂的研究

作　者: 冯英
导　师: 宋永吉
学　校: 北京化工大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: NO_x 催化分解 选择性催化还原 六铝酸盐 CH4
分类号: O643.36
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


氮氧化物(NOx)是大气的主要污染物之一,对生态环境、经济发展及人体健康具有很大的危害。氮氧化物的种类较多,造成大气污染的主要有NO.N02和少量的N20。目前,N20的有效消除方法为催化分解；而NO的脱除常用选择性催化还原法(SCR)。六铝酸盐型催化剂在高温下稳定性较好,且催化活性较高,近年来得到广泛性研究。本文采用共沉淀法制备了一系列不同金属掺杂的六铝酸盐型脱硝催化剂；同时,制备了以六铝酸盐作为载体,采用等体积浸渍法制备的铁负载型催化剂。通过XRD.H2-TPR、BET.TG-DSC等手段,对所制备的催化剂进行了结构、物性表征,采用微型反应装置研究了该系列催化剂脱除NOx的反应活性。(1)实验研究了六铝酸盐催化剂催化分解N20的性能。掺杂Cu、Co的Ba系六铝酸盐BaMxAl12-xO19-δ(x=1,2,3,4)的晶体结构较复杂,生成了较多的尖晶石晶相,且催化分解N20的活性较差。实验发现BaCoxAl12-xO19-δ催化分解N20的过程中产生了较大浓度的NO,高达1000ppm。La系六铝酸盐具有较好的N20催化分解性能。LaCuAl11O19-δ具有较单一的六铝酸盐晶体结构,且催化分解N20的活性较高。以LaCuAl11O19-δ为基础,复合掺杂第二金属元素Mn.Fe后,形成的LaCuxM1-xAl11O19-δ(X=0.2,0.4,0.6,0.8)催化剂,催化分解N20的活性较高,且在一定程度上降低了尾气中NO的浓度。尝试在LaCu0.4Fe0.6Al11O19-δ催化分解N20的过程中加入还原气CH4,发现其加入不仅提高了N20的转化率,还降低了NO的生成浓度。(2)实验研究六铝酸盐催化剂在CH4气氛下催化还原NO的性能。采用共沉淀法制备LaMAl11O19-δ催化剂,以碳酸铵为沉淀剂,样品在60℃下老化3h,1200℃下焙烧4h后制得催化剂样品。表征结果表明,不同离子掺杂型六铝酸盐LaMAl11O19-δ催化剂中,M为Mn、Cu、Fe时,催化剂形成了较完整的六铝酸盐晶相,比表面积较大,催化活性表现较佳。实验结果表明Mn、Cu的最佳掺杂量为1,Fe的最佳掺杂量为2。双金属掺杂型六铝酸盐经1200℃焙烧4h后,仍具有明显的六铝酸盐结构。与单金属Mn、Fe掺杂的催化剂相比,LaMnCuAl10O19-δ和LaFeCOAl10O19-δ的催化活性有了明显提高。LaCuxFe1-xAl11O19-δ系列催化剂中,x=0.8时催化剂的活性最好,且活化能较低(为90.52kJ·mol-1)。(3)实验研究六铝酸盐负载铁氧化物催化剂在CH4气氛下催化还原NO的反应活性。采用等体积浸渍法制备的3wt%Fe2O3/LaAl12O19-δ催化剂,在600℃下焙烧4h后,硝酸铁氧化分解形成了高分散型Fe2O3,并附着在载体的表面上。该催化剂的比表面积较大,催化活性较高(T10%为490℃,T90%为589℃)。连续100h的高温稳定性实验表明,六铝酸盐负载铁的催化剂具有较好的抗热性。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-19
第一章 绪论  19-33
  1.1 氮氧化物的生成及危害  19-21
    1.1.1 NO_x的生成  19-20
    1.1.2 NO_x的危害  20-21
  1.2 NO_x的脱除技术概述  21-22
  1.3 NO_x的直接催化分解  22-24
    1.3.1 N_2O的催化分解  22-23
    1.3.2 NO的催化分解  23-24
  1.4 NO_x的催化还原  24-27
    1.4.1 非选择性催化还原法(NSCR)  24-25
    1.4.2 选择性催化还原法(SCR)  25-27
  1.5 甲烷选择催化还原NO_x的研究  27-29
    1.5.1 CH_4-SCR技术的机理  27
    1.5.2 催化剂技术研究概况  27-29
  1.6 六铝酸盐催化剂的研究进展  29-32
    1.6.1 六铝酸盐的结构  29-30
    1.6.2 六铝酸盐的制备方法  30
    1.6.3 六铝酸盐催化剂的应用  30-32
  1.7 本课题的研究思路及主要内容  32-33
第二章 实验方法  33-41
  2.1 实验药品和气体原料  33-34
    2.1.1 实验药品  33
    2.1.2 实验气体  33-34
  2.2 实验仪器及设备  34
  2.3 催化剂的制备方法  34-36
    2.3.1 共沉淀法  34-35
    2.3.2 等体积浸渍法  35-36
  2.4 催化剂的表征手段  36-37
    2.4.1 X射线衍射(XRD)分析  36
    2.4.2 扫描电镜(SEM)分析  36
    2.4.3 热重和差示扫描量热(TG-DSC)分析  36
    2.4.4 比表面积(BET)分析  36-37
    2.4.5 氢气程序升温还原(H2-TPR)分析  37
  2.5 催化剂的活性评价  37-39
    2.5.1 N_2O催化分解的实验条件  37-38
    2.5.2 NO催化还原的实验条件  38-39
    2.5.3 催化剂活性评价的具体操作步骤  39
  2.6 数据处理  39-40
  2.7 催化剂的表观活化能研究  40-41
第三章 六铝酸盐催化分解N_2O的研究  41-57
  3.1 Ba系六铝酸盐催化分解N_2O的研究  41-49
    3.1.1 BaCu_xAl_(12-x)O_(19-δ)催化剂的制备及性能  41-45
    3.1.2 BaCo_xAl_(12-x)O_(19-δ)催化剂的制备及性能  45-49
  3.2 La系六铝酸盐催化分解N_2O的研究  49-56
    3.2.1 LaCu_xAl_(12-x)O_(19-δ)催化剂的制备及性能  49-51
    3.2.2 LaCu_xMn_(1-x)Al_(11)O_(19-δ)催化剂的制备及性能  51-53
    3.2.3 LaCu_xFe_(1-x)Al_(11)O_(19-δ)催化剂的制备及性能  53-56
  3.3 本章小结  56-57
第四章 CH_4环境下六铝酸盐催化剂催化还原NO的研究  57-99
  4.1 大阳离子对催化剂性能的影响  57-65
    4.1.1 AAl_(12)O_(19-δ)催化剂的形貌及催化活性  58-59
    4.1.2 AFeAl_(11)O_(19-δ)催化剂的表征分析  59-63
    4.1.3 催化剂活性分析  63-65
  4.2 单金属掺杂型六铝酸盐的制备及性能  65-67
    4.2.1 催化剂的表征  65-66
    4.2.2 催化剂活性分析  66-67
  4.3 制备条件对六铝酸盐LaFeAl_(11)O_(19-δ)催化还原NO的影响  67-77
    4.3.1 沉淀温度对催化剂性能的影响  68-70
    4.3.2 沉淀剂对催化剂性能的影响  70-72
    4.3.3 焙烧温度对催化剂性能的影响  72-75
    4.3.4 还原气CH_4浓度对NO转化率的影响  75-77
  4.4 金属掺杂量对催化剂性能的影响  77-87
    4.4.1 LaMn_xAl_(12-x)O_(19-δ)催化剂的制备及性能  77-79
    4.4.2 LaCu_xAl_(12-x)O_(19-δ)催化剂的制备及性能  79-82
    4.4.3 LaFe_xAl_(12-x)O_(19-δ)催化剂的制备及性能  82-85
    4.4.4 LaNi_xAl_(12-x)O_(19-δ)催化剂的制备及性能  85-87
  4.5 复合金属掺杂型六铝酸盐的制备及性能  87-96
    4.5.1 LaMnMAl_(10)O_(19-δ)催化剂的制备及性能  87-91
    4.5.2 LaFeMAl_(10)O_(19-δ)催化剂的制备及性能  91-94
    4.5.3 LaCu_xFe_(1-x)Al_(11)O_(19-δ)催化剂的制备及性能  94-96
  4.6 小结  96-99
第五章 金属氧化物负载型催化剂的制备及其脱硝性能  99-113
  5.1 载体对铁负载型催化剂的影响  99-104
    5.1.1 不同载体负载铁型催化剂的XRD分析  100
    5.1.2 不同载体负载铁型催化剂的H_2-TPR分析  100-101
    5.1.3 不同载体负载铁型催化剂的比表面积  101-102
    5.1.4 不同载体负载铁型催化剂的催化活性  102-104
  5.2 焙烧温度对Fe_2O_3/LaAl_(12)O_(19-δ)催化剂性能的影响  104-108
    5.2.1 负载型Fe_2O_3/LaAl_(12)O_(19-δ)催化剂的TG-DSC分析  104-105
    5.2.2 不同焙烧温度下形成Fe_2O_3/LaAl_(12)O_(19-δ)催化剂的H_2-TPR分析  105-106
    5.2.3 焙烧温度对Fe_2O_3/LaAl_(12)O_(19-δ)比表面积的影响  106
    5.2.4 焙烧温度对Fe_2O_3/LaAl_(12)O_(19-δ)催化活性的影响  106-108
  5.3 负载量对Fe_2O_3/LaAl_(12)O_(19-δ)催化剂性能的影响  108-112
    5.3.1 催化剂x%Fe_2O_3/LaAl_(12)O_(19-δ)的XRD表征  109
    5.3.2 催化剂x%Fe_2O_3/LaAl_(12)O_(19-δ)的H_2-TPR表征  109-110
    5.3.3 催化剂x%Fe_2O_3/LaAl_(12)O_(19-δ)的比表面积  110-111
    5.3.4 催化剂x%Fe_2O_3/LaAl_(12)O_(19-δ)的催化活性  111-112
  5.4 小结  112-113
第六章 结论与创新  113-117
  6.1 结论  113-115
  6.2 创新点  115-117
参考文献  117-125
致谢  125-127
研究成果及发表的学术论文  127-129
作者及导师简介  129-130
附录  130-131

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中图分类: > 数理科学和化学 > 化学 > 物理化学（理论化学）、化学物理学 > 化学动力学、催化作用 > 催化 > 催化剂
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