活性炭负载金属氧化物HC-SCR脱硝催化剂性能研究

摘要

氮氧化物是最主要的大气污染物，引起了光化学烟雾、酸雨和雾霾等危害。因此，各国都出台了严格的NOx控制标准。在多种NOx控制技术里，使用NH3作为还原剂的选择性催化还原脱硝技术（NH3-SCR）是效果最好的手段之一，然而NH3-SCR脱硝技术存在诸如：操作温度高且温度窗口窄、废弃催化剂造成环境二次污染、还原剂NH3具有高毒性等问题。因此急需开发高效环保的中低温SCR脱硝技术。因为碳氢化合物（CxHy）还原性较好，近年来，国内外研究人员对烃类化合物选择性催化还原脱硝技术（HC-SCR）开展了大量的研究。 本文以更加安全的C2H4为还原剂，以价格低廉，大比表面积的活性炭为载体，以环境友好的金属氧化物为活性成分，开发一种中低温的环境友好的SCR脱硝技术并对其进行催化性能及稳定性研究。 通过等体积浸渍法制备了系列Mn/AC，Fe/AC，Cu/AC等碳基金属催化剂，基于固定床反应器，考察了温度、负载量、组分对催化性能的影响。结果表明：低温条件下（150-200℃），Mn/AC催化剂具有很好的脱硝性能。但也存在催化活性下降较快，稳定性不高的现象。 以3%Mn/AC为例，通过BET，SEM，EDS，XRD，Raman、TEM、XPS等表征手段探讨了催化剂稳定性差的可能原因，结果表明：在催化剂反应过程中，催化剂的活性组分由高活性的MnO2转变为低活性的Mn3O4且发生了积聚现象。其次，在催化反应过程中C2H4分解形成炭黑并与活性组分形成新的聚合物沉积在催化剂孔洞内，堵塞孔径，反应物分子不能轻松扩散到孔中，从而降低了HC-SCR催化剂的催化活性。 针对单金属催化剂稳定性差的现象，通过等体积浸渍法制备了系列Fe-Mn/AC催化剂，结合表征BET，SEM，EDS，XRD，Raman等手段考察了Fe掺杂对Mn/AC催化性能的影响。结果表明：Fe，Mn之间具有很强的协同作用，生成了新的活性组分Fe3Mn3O8，显著提高了催化剂的脱硝性能和催化稳定性。

目录

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1NOX的排放及危害

1.2NOX的生成机理

1.3固定源NOX的控制技术

1.4选择性催化还原（SCR）技术

1.4.1 SCR还原剂

1.4.2 SCR催化剂

1.5研究趋势及方向

1.6研究内容及技术路线

2 实验系统、材料及方法

2.1实验系统及流程

2.1.1 实验系统

2.1.2 实验仪器

2.1.3 实验流程

2.1.4 催化剂活性评价指标

2.2催化剂制备所需试剂及器材

2.3.1 活性炭的预处理

2.3.2 催化剂的制备

2.4.1 晶体形态测定

2.4.2 晶体形貌测定

2.4.3 能量色谱仪

2.4.4 比表面积、孔结构分析

2.4.5 拉曼光谱分析

2.4.6 透射电镜和选区电子衍射分析

2.4.7 X射线光电子能谱分析

2.5 本章小结

3 单金属催化剂脱硝性能研究

3.1 引言

3.2.1 材料及仪器

3.2.2 催化剂制备

3.3催化剂的活性评价

3.4 Cu/AC催化剂脱硝性能研究

3.4.1 不同CuOX负载量对脱硝性能的影响

3.4.2 不同反应温度对脱硝性能的影响

3.4.3 综合分析

3.5 Fe/AC催化剂脱硝性能研究

3.5.1 不同FeOX负载量对脱硝性能的影响

3.5.2 不同反应温度对脱硝性能的影响

3.5.3 综合分析

3.6 Mn/AC催化剂脱硝性能研究

3.6.1 不同MnOX负载量对脱硝性能的影响

3.6.2 不同反应温度对脱硝性能的影响

3.6.3 综合分析

3.7催化剂的表征分析

3.7.1 表面积和孔结构分析

3.7.2 表面形貌特征分析

3.7.3 表面元素分析

3.7.4 晶相结构分析

3.7.5 拉曼光谱分析

3.7.6透射电镜与X射线光电子能谱分析

3.8 本章小结

4 铁锰复合金属催化剂脱硝性能研究

4.1 引言

4.2.1 材料及仪器

4.2.2 催化剂制备

4.3催化剂的活性评价

4.4Fe-Mn/AC催化剂的脱硝性能研究

4.4.1 助剂Fe掺杂对3%Mn/AC催化剂活性及稳定性的影响

4.4.2 不同Fe含量对3%Mn/AC催化剂脱硝活性的影响

4.5催化剂的表征分析

4.5.1 表面积和孔结构分析

4.5.2 表面形貌特征分析

4.5.3 表面元素分析

4.5.4 晶相结构分析

4.5.5 拉曼光谱分析

4.6 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

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