金属掺杂层状δ-MnO2催化剂的制备及其催化氧化氯苯的性能研究

摘要

氯苯类有机污染物是广泛存在于工业烟气和化工生产中的持久性有机污染物，对环境造成巨大破坏，并严重威胁人类健康。催化氧化技术可以在相对温和的条件下将氯苯彻底降解为CO2、HCl等小分子，是目前工业废气净化具有较大应用潜力的处理技术。本文以氯苯为目标污染物，以具有特殊结构的层状锰δ-MnO2作为前驱体，并利用金属U(Un+=Co2+、Cu2+、Fe3+、Al3+、Ce3+)掺杂，对层状锰进行改性，制得金属掺杂层状δ-MnO2，简写U/Mn。对催化剂的制备工艺进行优化，系统地考察各个金属改性层状锰所得的催化材料物化特性，进行两级催化系统设计，并揭示金属改性层状锰降解氯苯的机理。
　　首先系统考察了多种金属掺杂δ-MnO2催化材料的特性。采用扫描电镜等手段对金属掺杂δ-MnO2的物质结构和表面性质进行分析比较。结果表明，不同金属离子掺杂改性δ-MnO2所制备的催化材料催化性能由大到小为:Al/Mn≈Fe/Mn＞Ce/Mn＞Cu/Mn＞Co/Mn（反应工况条件:催化剂填充量:0.2g、氯苯浓度:100ppm、空速:15000h-1、O2=20％）;Al/Mn具有最高的比表面积(539.82m2·g-1)和最高的氯苯催化降解性能，还具备致密的孔道结构和较高的氧化还原能力;Cu/Mn的氧化还原能力最高，Fe/Mn的低温活性最高。
　　接着进一步进行Al/Mn、Cu/Mn、Fe/Mn三种催化材料的催化性能探究，根据先吸附再降解的设计理念，搭建两级催化体系，Al/Mn-Cu/Mn和Al/Mn-Fe/Mn，发现，Al/Mn-Cu/Mn与Al/Mn-Fe/Mn在两段绝热式固定反应床中，可以达到理想的协同效果，催化效率显著提升;但是，在相同的反应工况下，Al/Mn-Cu/Mn的使用寿命更长，在使用35小时后，依然保持90％以上的催化活性。
　　对上述三种催化材料，Al/Mn、Cu/Mn、Fe/Mn，分别进行了催化剂作用分析，以及氯苯降解尾气产物探究，氯苯可能降解机理为:氯苯在Fe/Mn的催化作用下首先生成苯、苯酚和4-羟基-4-甲基-2-戊酮、4-羟基-2-戊酮、氯丙酮、2，5-己二酮和苯甲醛等中间产物，再进一步氧化生成HCl、CO2等小分子含氯物质，Osur起主要的活性位点作用，但FeOx可能会促进生成多种中间产物，CO2和HCl选择性较低;Al/Mn和Cu/Mn催化燃烧氯苯机理类似，氯苯在催化材料的催化作用下首先生成苯、苯酚和4-羟基-4-甲基-2-戊酮等中间产物，再进一步氧化生成HCl、CO2等小分子物质，Osur和Olatt起主要的活性位点作用，CO2和HCl选择性较高;Al/Mn-Cu/Mn两级催化体系降解氯苯时，CO2和HCl选择性最高。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 CVOCs的污染现状

1．1．2 氯苯类污染物的研究现状

1．2 层状锰催化剂催化燃烧降解CVOCs的研究进展

1．2．1 层状锰催化剂

1．2．2 金属掺杂改性层状锰

1．3 催化燃烧反应器研究进展

1．3．1 两级催化系统简述

1．3．2 两段式催化燃烧

1．4 本文研究的目的、意义及内容

1．4．1 本文的研究目的及意义

1．4．2 本论文的研究内容

第二章 催化材料制备工艺研究

2．1 实验部分

2．1．1 实验仪器

2．1．2 实验材料

2．1．3 催化材料制备

2．2 催化材料的表征方法

2．3 氧化锰掺杂工艺优化

2．3．1 层状锰制备方法的选择

2．3．2 金属改性层状锰方式的选择

2．3．3 水热法改性铝掺杂层状锰的结构性质研究

2．3．4 不同金属掺杂层状锰改性效果分析

2．4 本章小结

第三章 两段绝热式固定床反应器设计与催化性能研究

3．1 实验部分

3．1．1 实验材料

3．1．2 催化活性测试装置及方法

3．1．3 催化材料设计

3．2 两级催化设计及性能探究

3．2．1 金属掺杂层状锰催化燃烧氯苯性能比较

3．2．2 金属掺杂层状锰性能探究及两级催化设计

3．3．2 两段绝热式固定床反应器

3．4 本章小结

第四章 层状锰掺杂改性前后催化降解氯苯的机理分析

4．1．1 实验仪器

4．1．2 实验材料

4．1．3 材料的表征方法

4．1．4 产物分析方法

4．2 氯苯降解机理研究

4．2．1 催化剂作用分析

4．2．2 氯苯催化燃烧尾气分析

4．2．3 氯苯降解机理推测

4．3 本章小结

第五章 结论与建议

5．1 结论

5．2 建议

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

导师与作者简介