杂多酸负载二氧化铈的NOx选择性催化还原应用研究

摘要

氮氧化物是我国目前主要的大气污染物之一，选择性催化还原(SCR)技术被认为是去除固定源排放氮氧化物的有效方法，已实现大规模的工业化应用。商用的SCR催化剂（如WO3-V2O5/TiO2和MoO3-V2O5/TiO2），其活性温窗较高（通常在350-450℃），必须布置于空气预热器和省煤器之间，工程改造困难。同时大量工业锅炉与炉窑的排放烟气温度低，高温SCR技术的适应性不好。因此，中低温SCR技术目前受到了研究者们的广泛关注。 本文采用干混法制备了一系列磷钨酸负载二氧化铈(CeO2/HPW)的新型SCR催化剂，利用磷钨酸强酸性及二氧化铈的氧化还原性能的协同作用，成功实现了氮氧化物在中低温段（300℃以下）的高效脱除。 论文首先对CeO2/HPW催化剂的制备条件进行了研究。实验结果表明，CeO2负载量为质量分数50％时，SCR活性最好，其在温度区间230-300℃之间都能保持90％以上的NO转化率。300℃及350℃高温煅烧可使催化剂的SCR活性进一步提高，其在200℃就能实现NO的90％转化。 随后论文通过原位红外研究了CeO2/HPW催化剂的SCR反应机理。发现NO在50％CeO2/HPW催化剂表面形成了NO2和亚硝酸根中间反应物，前者的存在极大提高了催化剂SCR的反应速率，从而使其具有了良好的中低温活性。研究还发现NH3在50％CeO2/HPW催化剂上，既在Lewis酸性位吸附，也在Br(φ)nsted酸性位上吸附，两种吸附态NH3均参与了SCR反应。 最后论文研究了50％CeO2/HPW催化剂的热稳定性、抗钾以及抗硫性能。研究结果表明，该催化剂具有良好的热稳定性，可以在300℃下保持168个小时100％的NO转化率，且还具有优良的抗碱金属中毒能力，但其抗硫性能还有待加强，亟需进一步提高。

目录

声明

致谢

摘要

图表清单

1 绪论

1．1 立题背景

1．2 立题依据

1．3 研究目标及主要内容

2 文献综述

2．1 氮氧化物(NOx)的来源及危害

2．2 NOx的排放控制技术

2．3 SCR脱硝技术

2．3．1 高温SCR技术

2．3．2 中低温SCR技术

2．3．3 低温SCR催化剂的抗性研究

2．4 杂多酸的性质及其催化性能

2．4．1 杂多酸的性质

2．4．2 杂多酸的催化性能

2．5 CeO2催化剂

2．6 小结与展望

3 实验材料、装置及分析测试方法

3．1 试剂与仪器

3．1．1 原材料与试剂

3．1．2 主要实验仪器

3．2 催化剂制备

3．2．1 干混法制备CeO2／HPW

3．2．2 抗钾催化剂的制备

3．3 催化剂材料测试方法

3．3．1 X射线衍射

3．3．2 热重-差热分析

3．3．3 比表面积和孔结构分析

3．3．4 晶体颗粒形貌分析

3．3．5 原位漫反射红外光谱分析

3．3．6 程序升温脱附与程序升温还原

3．3．7 X-射线光电子能谱

3．4 催化剂SCR催化性能测试

4 CeO2／HPW催化剂SCR催化活性研究

4．1 磷钨酸(H3PW12O40，HPW)的表征

4．1．1 傅立叶红外光谱测定磷钨酸一级结构

4．1．2 XRD测定磷钨酸的二级结构

4．1．3 TG-DSC测定磷钨酸结晶水的数量和热稳定性

4．2 CeO2／HPW催化剂SCR催化活性

4．3 CeO2与HPW相互作用研究

4．3．1 CeO2／HPW催化剂的XRD分析

4．3．2 CeO2／HPW催化剂的SEM分析

4．3．3 CeO2／HPW催化剂的BET比表面积分析

4．3．4 CeO2／HPW催化剂的NH3-TPD分析

4．3．5 CeO2／HPW催化剂的H2-TPR分析

4．3．6 CeO2／HPW催化剂的XPS表征分析

4．4 本章小结

5 CeO2／HPW催化剂制备条件的优化以及反应机理研究

5．1 CeO2负载量对催化剂性能的影响研究

5．1．1 不同CeO2负载量对催化剂SCR活性的影响

5．1．2 不同CeO2负载量CeO2／HPW催化剂的XRD分析

5．1．3 不同CeO2负载量的CeO2／HPW催化剂的BET面积分析

5．1．4 不同CeO2负载量CeO2／HPW催化剂的NH3-TPD分析

5．1．5 不同CeO2负载量CeO2／HPW催化剂的H2-TPR分析

5．1．6 不同CeO2负载量CeO2／HPW催化剂的XPS分析

5．2 煅烧对CeO2／HPO催化剂性能的影响研究

5．3 CeO2／HPW催化剂上SCR反应机理研究

5．3．1 CeO2／HPW催化剂吸附NO+O2的原位红外分析

5．3．2 CeO2／HPW催化剂吸附NH3的原位红外分析

5．3．3 先吸附NO+O2再吸附NH3的原位红外分析

5．3．4 先吸附NH3再吸附NO+O2的原位红外分析

5．4 本章小结

6 催化剂的稳定性及抗性研究

6．1 催化剂的热稳定性研究

6．2 催化剂的抗碱金属性能研究

6．3 催化剂的抗硫性能研究

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 对未来工作的建议

参考文献

论文创新点

作者简历

硕士期间研究成果