用于处理多组分污染物工业废气催化剂的研究

摘要

污染问题是近些年来人们一直持续关注的焦点问题，本课题的研究重点是丙烯腈厂吸收塔尾气的处理，目前工业上主要的处理方法有尾气焚烧(AOGI)和催化氧化(AOGC)两种方法。本文针对丙烯腈厂吸收塔尾气的处理采用了一种新的处理方法，即“分步式一体化”的尾气处理方案，具体来说就是在一个反应器内利用尾气中每种污染物成分自身的理化性质同时结合催化反应原理，使用多层具有针对性的催化剂实现尾气分步处理的净化方法。
　　丙烯腈厂吸收塔尾气中主要成分有丙烯、丙烷和乙烷等烃类物质，丙烯腈和乙腈等含氰基物质，还有一定量的氮氧化物，本课题采用的尾气处理方案如下:吸收塔尾气首先通过第一层脱硝催化剂，利用尾气中的丙烯丙烷作为还原剂将氮氧化物选择性还原为氮气，然后通过第二层脱丙烯腈催化剂，将丙烯腈选择性转化为氮气，最后通过第三层氧化性催化剂，将剩余的烃类物质完全氧化为二氧化碳和水。
　　本文的第三章主要是对第一层脱硝催化剂进行了实验研究和理论探索，本章首先以Ag-Al2O3为对比催化剂，分别考察了不同催化剂载体包括ZrO2、TiO2、ZSM-5、Beta、SBA-15等对催化活性的影响，以及不同活性组分包括Pt、Cu、Ag、Co、Mn等对催化活性的影响，筛选出Ag-Al2O3为最佳催化剂，然后对活性组分的负载量以及催化剂的制备方法进行了考察，发现采用等体积浸渍法制备的负载量为4％的Ag-Al2O3催化剂具有优越的催化活性，最后对催化剂所使用的催化条件进行了探索，包括氧浓度、空速、还原剂的量、催化剂的使用量、装填方式以及催化剂的分层进行了深入的探究。
　　本文第四章主要是对第二层脱丙烯腈催化剂的筛选进行了实验探索，实验内容包括对催化剂载体、催化剂活性组分等进行了筛选，实验表明负载量为5％的Cu-ZSM-5分子筛催化剂在脱丙烯腈方面活性较高，不仅丙烯腈转化率高，而且氮气的选择性好，几乎没有副产物的生成，然后对催化剂反应条件进行了摸索，考察了实际生产中空速和氧浓度变化对催化活性的影响，最后对该催化剂进行了表征，包括XRD、H2-TPR、XPS等，通过以上表征技术可以对催化剂的催化反应原理有一定的理解。
　　本文第五章对第三层烃类物质的完全氧化反应进行了实验探究，贵金属虽然价格昂贵但由于其氧化性强，活性高，可再生等优点，一直以来受到人们的青睐，本课题采用的是钯基催化剂，将最不容易脱除的乙烷气体作为尾气处理的研究对象，分别探讨了钯金属的负载量，以及催化剂载体和添加第二金属对氧化活性的影响，最终优选负载量为0.05％的Pd-Al2O3催化剂，实验证明添加第二种金属并没有提高乙烷的转化率，虽然提高钯金属的负载量可以提高反应活性，但是从经济方面考虑，负载0.05％的钯金属就可以完成将尾气净化的目的。
　　本文第六章对三层催化剂的组合催化效果进行了实验研究，虽然已经筛选出三种催化反应对应的最佳催化剂，但是如何充分利用这三种催化剂才能达到最佳的催化效果仍然有许多需要考虑的地方，本章节结合每层催化剂的催化特点，重点考察了组合催化剂的应用效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 丙烯腈厂吸收塔尾气的组成和危害

1．2．1 氮氧化物

1．2．2 含氰废气

1．2．3 烃类物质

1．3 国家标准

1．4 丙烯腈厂吸收塔尾气处理方案简介

1．4．1 吸附法

1．4．2 生物法

1．4．3 直接燃烧法

1．4．4 催化燃烧法

1．5 本课题的理论研究

1．5．1 目前丙烯腈厂吸收塔尾气的处理工艺

1．5．2 本课题设计的尾气处理工艺

1．5．3 两种尾气处理工艺的对比

1．6 本课题的可行性研究

1．6．1 碳氢化合物选择性催化还原NO及其机理研究

1．6．2 含氰废气的催化燃烧反应及机理研究

1．6．3 烃类的催化氧化反应及机理研究

1．7 本课题的研究内容

第二章 实验部分

2．1 实验原料和仪器设备

2．1．1 实验试剂汇总

2．1．2 实验设备

2．2 活性评价装置

2．3 催化剂的表征

第三章 选择性催化还原NO的实验研究

3．1 催化剂制备流程简介

3．2 催化活性测试

3．2．1 活性组分对脱硝性能的影响

3．2．2 不同载体对脱硝性能的影响

3．2．3 负载银的分子筛基催化剂的催化活性

3．2．4 负载量对脱硝性能的影响

3．2．5 煅烧温度对催化剂载体及脱硝性能的影响

3．2．6 载体形式对脱硝效果的影响

3．2．7 制备方法对脱硝性能的影响

3．3 反应条件对催化效果的影响

3．3．1 反应器的形状对催化效果的影响

3．3．2 空速和氧浓度对催化活性的影响

3．3．3 催化剂的装填方式对催化活性的影响

3．3．4 催化剂的装填量对催化效果的影响

3．3．5 还原剂的量对催化效果的影响

3．3．6 还原剂种类对脱硝效果的影响

3．4 催化剂的表征

3．4．1 X射线衍射分析

3．4．2 X射线光电子能谱分析

3．4．3 N2等温吸脱附曲线

3．4．4 H2程序升温还原

3．4．5 紫外可见分光光度计

3．5 本章小结

第四章 丙烯腈催化燃烧的实验研究

4．1 分子筛催化剂的制备

4．2．1 不同分子筛载体负载Cu活性组分对催化活性的影响

4．2．2 不同活性组分对催化活性的影响

4．2．3 负载量对催化活性的影响

4．2．4 硅铝比对催化活性的影响

4．2．5 不同空速对催化活性的影响

4．2．6 氧浓度对催化活性的影响

4．3 催化剂表征

4．3．1 N2吸脱附曲线

4．3．2 X射线衍射分析

4．3．3 H2程序升温还原

4．3．4 X射线光电子能谱分析

4．4 本章小结

第五章 烃类物质完全氧化的实验研究

5．1 催化剂的制备

5．2 催化剂的活性测试

5．2．1 单组分催化燃烧

5．2．2 混合气催化燃烧

5．3 催化剂表征

5．3．1 X射线衍射分析

5．3．2 X射线光电子能谱分析

5．4 本章小结

第六章 组合催化的实验研究

6．1 每层催化剂的量对催化活性的影响

6．2 不同比例的尾气组分对催化活性的影响

6．4 空速对催化活性的影响

6．5 不同尾气浓度对催化活性的影响

6．6 组合催化剂和单一催化剂的对比实验

6．7 本章小结

第七章 结论

参考文献

致谢

作者与导师简介