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        焙燒溫度對MnOx催化還原NO性能的影響

        2022-09-02 08:21:00梁海龍吳彥霞陳玉峰胡利明王春朋
        石油煉制與化工 2022年9期
        關(guān)鍵詞:氮氧化物轉(zhuǎn)化率表面積

        梁海龍,吳彥霞,陳玉峰,胡利明,王春朋

        (中國建筑材料科學研究總院有限公司陶瓷科學研究院,北京 100024)

        作為大氣污染物之一的氮氧化物,不僅會引起光化學煙霧、酸雨、臭氧層破壞等問題,還會嚴重危害人體健康。因此,氮氧化物的治理與減排已成為環(huán)境保護的重要課題[1]。在各種去除氮氧化物的技術(shù)中,選擇性催化還原(SCR)技術(shù)被認為是最為成熟、有效的氮氧化物去除方法,其具有高活性和高選擇性的優(yōu)點,廣泛應用于固定源氮氧化物的去除[2]。目前市場上常用的SCR催化劑為釩鈦系催化劑,其活性溫度窗口為300~400 ℃,SCR反應塔一般布置在脫硫除塵器之前,此時催化劑易受到高濃度的粉塵與SO2的沖刷,造成催化劑中毒失活[3]。而將SCR反應塔布置在脫硫除塵器之后則可避免上述問題,但此時煙氣溫度通常低于250 ℃,釩鈦系催化劑達不到理想的脫硝效果,因此,開發(fā)低溫高效的SCR催化劑具有重要意義。

        近幾年,過渡金屬催化劑顯示出了優(yōu)良的低溫脫硝活性,如MnOx,F(xiàn)eOx,CoOx,CuOx等。金屬Mn具有獨特的氧化還原性和環(huán)境友好性,被證實是優(yōu)良的NH3-SCR反應催化劑。Wu Zhongbiao等[4]采用溶膠-凝膠法制備的MnOx/TiO2催化劑具有良好的低溫活性。Yao Xiaojiang等[5]采用不同方法制備了一系列MnOx-CeO2催化劑并用于低溫NH3-SCR反應,發(fā)現(xiàn)低溫脫硝性能由高到低的順序為:水熱法>溶膠-凝膠法>共沉淀法>浸漬法>機械混合法。趙曉媛等[6]采用超聲波浸漬法、傳統(tǒng)浸漬法和溶膠-凝膠法制備了一系列MnOx/TiO2催化劑,結(jié)果表明超聲浸漬法制備的MnOx/TiO2催化劑表現(xiàn)出較好的反應活性,特別是在低溫窗口(120 ℃以下),100 ℃時的脫硝率達到了90%。

        傳統(tǒng)的制備方法存在MnOx顆粒團聚、分散不均勻以及形貌不可控等問題,不能充分發(fā)揮MnOx催化劑的催化效果[7]。金屬有機骨架(MOFs)材料是由金屬基團和有機鏈接基團組成的新型結(jié)晶多孔材料,因其具有超高的比表面積、強大的吸附能力、多功能的金屬中心和孔道的可修飾性,被廣泛應用于氣體儲存分離、化學傳感和催化等諸多領域[8]。同時由于MOFs金屬離子的可調(diào)控性和配體的易裁剪性,MOFs被認為是制備特殊性質(zhì)功能材料的理想犧牲模板。采用MOFs作為犧牲模板,可得到具有可調(diào)控孔徑大小、特定形貌以及高分散活性組分等特征的復合金屬氧化物納米顆粒[7]。

        本研究以Mn-MOF為犧牲模板,制備MnOx催化劑,并用于NO的SCR反應,考察焙燒溫度對MnOx理化性質(zhì)及催化還原NO性能的影響。

        1 實 驗

        1.1 原料及試劑

        對苯二甲酸,分析純,阿拉丁試劑(上海)有限公司產(chǎn)品。N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、無水乙醇、六水合乙酸錳等試劑,均為分析純,國藥集團化學試劑有限公司產(chǎn)品。

        1.2 催化劑的制備

        1.2.1 Mn-MOF材料的制備

        將0.223 g對苯二甲酸溶解到60 mLN,N-二甲基甲酰胺、4 mL無水乙醇和4 mL去離子水組成的混合液中,攪拌均勻。向上述溶液中加入1.088 g六水合乙酸錳,攪拌0.5 h。然后轉(zhuǎn)移至100 mL不銹鋼水熱反應釜中,置于135 ℃的恒溫干燥箱中保溫24 h,然后冷卻至室溫,過濾分離固相產(chǎn)物。用10 mLN,N-二甲基甲酰胺洗滌3次,然后用10 mL無水乙醇洗滌3次,在85 ℃下干燥2 h,得到棕色的Mn-MOF材料。

        1.2.2 MnOx的制備

        將Mn-MOF前軀體在馬弗爐中空氣氣氛下以5 ℃/min的速率分別加熱到300,400,500,600 ℃進行焙燒,保溫4 h,隨爐降溫后取出,制得黑色MnOx粉末。制得的催化劑分別記為MnOx-300,MnOx-400,MnOx-500,MnOx-600。

        1.3 催化劑的活性評價

        催化劑的活性評價在內(nèi)徑為14 mm的不銹鋼固定床連續(xù)流動反應器上進行,通過加熱電爐控制反應溫度,試驗裝置如圖1所示。模擬氣體經(jīng)質(zhì)量流量計計量后進入混合器。模擬氣體組成(φ)為:6% O2,0.05% NO,0.05% NH3,N2為平衡氣。催化劑用量為3 mL,氣體總流量為1 L/min,體積空速為20 000 h-1。使用德國德圖公司生產(chǎn)的Testo350型煙氣分析儀測定入口和出口的NO和NH3濃度,計算NO轉(zhuǎn)化率和NH3轉(zhuǎn)化率,以NO轉(zhuǎn)化率作為脫硝活性的評價指標。試驗過程中,在每一溫度點下均穩(wěn)定反應10 min。

        圖1 催化劑活性評價試驗裝置

        1.4 催化劑的表征

        催化劑的X射線衍射(XRD)表征在德國D8 advane型XRD儀上進行,Cu Kα射線,掃描范圍2θ為10°~80°;N2吸附-脫附表征在美國Quantachrome公司生產(chǎn)的Autosorb-iQ型物理吸附儀上進行,測定催化劑的比表面積、孔體積及孔徑,吸附質(zhì)為N2;催化劑的NH3程序升溫脫附(NH3-TPD)和H2程序升溫還原(H2-TPR)表征在美國麥克公司生產(chǎn)的Auto Chem Ⅱ 2920型化學吸附儀上進行。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 焙燒溫度對催化劑脫硝活性的影響

        圖2為焙燒溫度對催化劑脫硝活性的影響。由圖2可知,在80~200 ℃溫度區(qū)間,隨著反應溫度的升高,不同焙燒溫度制備的催化劑的脫硝活性均呈上升趨勢。這主要是由于反應溫度升高,氣體自身的反應活性增加,有利于反應氣體在催化劑表面的吸附和脫附,使得脫硝活性增加[9]。催化劑的整體脫硝活性由高到低的順序為:MnOx-300>MnOx-400>MnOx-500>MnOx-600。隨著制備過程中焙燒溫度的升高,催化劑的脫硝活性降低。MnOx-300催化劑的低溫脫硝活性最高,同時NO轉(zhuǎn)化率大于90%的反應溫度區(qū)間也最寬,為120~200 ℃。MnOx-600催化劑的脫硝活性最低,在反應溫度為200 ℃時的脫硝活性最高,但NO轉(zhuǎn)化率也僅為50%左右。這主要是由于焙燒溫度過高時催化劑的活性組分發(fā)生燒結(jié)結(jié)晶,降低了活性組分的分散度;同時,焙燒溫度過高使得催化劑內(nèi)孔孔道塌縮,導致催化劑的孔體積減小,從而比表面積降低[10]。

        圖2 焙燒溫度對催化劑脫硝活性的影響

        在NH3-SCR反應中,不可避免地存在NH3的氧化反應。NH3的氧化不僅使得參與反應的還原劑減少,而且會產(chǎn)生一定量的氮氧化物,使催化劑脫硝率降低。為進一步探究焙燒溫度對MnOx催化體系氧化還原性的影響,對不同焙燒溫度制備MnOx催化劑的NH3氧化能力進行了分析考察。圖3為不同催化劑對NH3的轉(zhuǎn)化率。由圖3可知:隨著反應溫度的升高,NH3轉(zhuǎn)化率逐漸增大;在反應溫度低于140 ℃時,各催化劑對NH3的轉(zhuǎn)化率低于20%;MnOx-500和MnOx-600的NH3氧化反應起始活性溫度約為140 ℃,而MnOx-300和MnOx-400的NH3氧化起始活性溫度約為160 ℃,表明催化劑對NH3的氧化活性隨著焙燒溫度的升高而增強;當反應溫度為200 ℃時,各催化劑對NH3的轉(zhuǎn)化率均接近100%,這不僅會導致用于還原NO的NH3減少,同時NH3氧化反應生成的NO又與NH3在催化劑表面發(fā)生競爭吸附,使催化劑的高溫脫硝活性降低。

        圖3 焙燒溫度對催化劑NH3轉(zhuǎn)化率的影響

        2.2 催化劑的XRD表征

        圖4為MnOx催化劑的XRD表征結(jié)果。由圖4可見,在2θ為18.31°,29.22°,32.66°,36.38°,44.70°,51.08°,60.19°等處出現(xiàn)了Mn3O4的特征衍射峰。與其他催化劑相比,MnOx-600催化劑在2θ為32.66°處的衍射峰強度增大且峰寬變窄,說明隨著焙燒溫度的升高,Mn3O4的結(jié)晶度發(fā)生變化,呈現(xiàn)提高的趨勢。研究表明,高結(jié)晶度不利于活性組分在催化劑表面分散,催化劑載體容易包裹活性組分,導致團聚現(xiàn)象的產(chǎn)生,造成催化劑的SCR活性下降[11]。

        圖4 催化劑的XRD圖譜

        2.3 催化劑的N2吸附-脫附表征

        表1為催化劑的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)。由表1可知,焙燒溫度在一定程度上會對催化劑的孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。隨著焙燒溫由300 ℃升至600 ℃,催化劑的比表面積由42.45 m2/g降至28.29 m2/g,孔體積由0.122 cm3/g降至0.079 cm3/g,平均孔徑由10.25 nm增至13.06 nm。這主要是由于隨著焙燒溫度的升高,催化劑表面發(fā)生燒結(jié),Mn3O4晶粒長大以及載體局部骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌,從而導致比表面積和孔體積降低,平均孔徑增大[12]。雖然平均孔徑的增大促進了反應物和產(chǎn)物的擴散,但比表面積和孔體積的減小使得催化劑表面活性組分的分散性降低,減少了催化劑表面活性位,不利于反應物和產(chǎn)物分子的吸附和脫附,因而催化劑的SCR活性呈現(xiàn)降低的趨勢[11,13]。

        表1 催化劑的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

        2.4 催化劑的NH3-TPD表征

        圖5為MnOx催化劑的NH3-TPD表征結(jié)果。由圖5可知:MnOx-300和MnOx-400催化劑在75~200 ℃和350~450 ℃兩個區(qū)間出現(xiàn)NH3脫附峰,分別歸屬于弱酸位點和強酸位點的NH3的脫附;在MnOx-500催化劑上也可以觀察到2個NH3脫附峰,但對應強酸的脫附峰已不明顯;MnOx-600催化劑在弱酸位上的脫附峰幾乎消失,只有強酸位對應的NH3脫附峰[14]。當催化劑的焙燒溫度較高時,催化劑的NH3總脫附量變少,尤其是弱酸位點的NH3脫附量消失,此時催化劑具有較低的SCR活性,說明弱酸位點在反應中起關(guān)鍵作用[15-16]。

        圖5 催化劑的NH3-TPD曲線

        2.5 催化劑的H2-TPR表征

        為了深入研究焙燒溫度對MnOx催化劑活性物種氧化還原能力的影響,對MnOx催化劑進行H2-TPR表征,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,各催化劑的H2-TPR曲線均呈現(xiàn)出一個不對稱的寬型峰,這種寬型峰一般至少由兩個峰重疊而成[17]。MnOx一般按MnO2→Mn2O3→Mn3O4→MnO的順序進行還原,由此推測,H2-TPR 峰應為MnO2、Mn2O3和Mn3O4同時還原的峰,由于受熱力學影響,MnO的進一步還原在本試驗條件下不會出現(xiàn)[18]。從圖6還可以看出,催化劑還原峰的峰溫由高到低的順序為:MnOx-600>MnOx-500>MnOx-400>MnOx-300。還原峰的位置與催化劑結(jié)合吸附氧和晶格氧的能力有關(guān),隨著焙燒溫度的升高,還原峰向高溫方向移動,說明催化劑表面或者氧空缺處的化學吸附氧和晶格氧的移動性變差,降低了催化劑的還原能力,不利于SCR反應中重要的中間反應,即將NO氧化成NO2,從而降低了催化劑的SCR活性。也就是說還原溫度較低時,催化劑中的氧具有更好的遷移性,故MnOx-300對NO具有更好的選擇還原性。

        圖6 催化劑的H2-TPR曲線

        3 結(jié) 論

        隨著焙燒溫度的升高,MnOx催化劑的結(jié)晶度提高,比表面積減小,不利于活性組分的分散,同時,在SCR反應中起關(guān)鍵作用的弱酸性位點減少,催化劑表面或者氧空缺處的化學吸附氧和晶格氧的移動性變差,降低了催化劑的還原性能,SCR反應難以進行,因此,催化劑的脫硝活性降低。300 ℃焙燒的催化劑具有最佳的低溫NH3-SCR性能,在120~200 ℃反應時,NO轉(zhuǎn)化率達90%以上。

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