负载型碳纤维催化剂的制备及其对甲苯催化燃烧性能的研究

摘要

城市挥发性有机化合物(VOCs)的排放量与日俱增,苯类VOCs的污染问题尤为突出,催化燃烧是最有效的VOCs净化技术之一,当务之急是高效低廉催化剂的研制。基于MnCeOx复合过渡金属氧化物的高催化活性和活性炭纤维(ACF)的高比表面积,本文以ACF为载体,Mn-Ce二元金属复合物为催化活性成分,采用浸渍法制备Mn-Ce/ACF催化剂用于甲苯的催化燃烧特性研究。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、光电子能谱(XPS)等现代表征技术分析催化剂的结构特征,揭示催化剂制备过程、运行参数和甲苯催化活性影响之间的构效关系,重点探究ACF酸性基团作用机制、Mn-Ce相互作用和MnCeOx形貌的影响。
　　MnCeOx的晶型、形貌和分散度是影响催化活性的关键。载体酸改性可引入丰富的含氧官能团,不仅提升甲苯的吸附容量,还具有靶向引导作用,促使氧化物分散均匀,原始ACF和碱处理ACF负载的MnCeOx结晶度较高;催化剂制备最佳工艺是采用过饱和浸渍液一步法,控制总负载量为10％,焙烧温度为450℃,主要由于MnCeOx固溶体的形成与分散均匀;通过浸渍顺序的改变发现,前驱体的共混和氧化物晶型结构限制了固溶体的形成,Mn进入CeO2中构成固溶体,这种形态无定型并具有结构缺陷。
　　Mn-Ce/ACF催化剂具有良好的稳定性,在230℃下运行10h保持85％以上的转化率。空气中的氧气不断转化为吸附氧,再转为体相氧;反应后的催化剂晶型没有变化,Mn4+含量下降,Ce4+转化为了Ce3+;甲苯的降解机理较为复杂,推测有三种路径,以甲基氧化与苯环开环为主。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 挥发性有机污染物的排放现状

1．1．2 VOCs的净化技术

1．1．3 催化燃烧的特点

1．2 催化燃烧的研究基础

1．2．1 催化剂种类与发展趋势

1．2．2 锰基催化剂与复合催化剂

1．2．3 碳基载体与碳纤维改性

1．2．4 过渡金属催化燃烧机理

1．3 本文研究意义

1．3．1 本文研究内容与目的

1．3．2 技术线路图

第二章 碳纤维的改性对甲苯净化的影响

2．1 试验部分

2．1．1 试剂与设备

2．1．2 催化剂制备

2．1．3 催化剂吸附试验

2．1．4 催化剂活性评价

2．1．5 催化剂表征手段

2．2 改性碳纤维表征

2．2．1 表面酸性的表征

2．2．2 改性碳纤维孔结构表征

2．2．3 负载碳纤维的表征

2．3 ACF和改性ACF吸附性能

2．3．1 ACF的吸附性能

2．3．2 改性ACF的吸附性能

2．4 ACF改性对催化剂活性的影响

2．4．1 碳纤维改性对催化剂活性的影响

2．4．2 表面基团与催化活性的关系

2．5 本章小结

第三章 MnCeOx制备参数对甲苯催化性能的影响

3．1 试验部分

3．1．1 试验试剂与设备

3．1．2 催化剂制备

3．1．3 催化剂表征与活性评价

3．2 Ce对催化剂MnOx／ACFN的影响

3．2．1 Ce对MnOx／ACFN活性的影响

3．2．2 催化剂表征

3．3 过饱和浸渍与饱和浸渍方法对催化剂的影响

3．4 MnCeOx负载量对值化剂的影响

3．4．1 MnCeOx负载量对活性的影响

3．4．2 催化剂表征

3．5 焙烧温度对催化剂的影响

3．2．1 焙烧温度对活性的影响

3．5．2 催化剂表征

3．6 浸渍顺序对催化剂的影响

3．6．1 浸渍顺序对活性的影响

3．6．2 催化剂表征

3．7 Mg对MnCeOx催化剂的影响

3．7．1 Mg对催化活性的影响

3．7．2 催化剂表征

3．8 本章小结

第四章 Mn-Ce／ACFN对甲苯催化燃烧过程与降解机理的研究

4．1 试验部分

4．1．1 催化剂制备

4．1．2 催化剂活性评价

4．1．3 催化剂表征手段

4．2 催化甲苯反应过程因素的影响

4．2．1 反应温度的影响

4．2．2 氧气含量的影响

4．2．3 反应气速的影响

4．2．4 催化剂稳定性测试

4．3 Mn-Ce／ACFN催化降解甲苯机理的研究

4．3．1 催化剂反应前后变化

4．3．2 催化反应产物的研究与甲苯降解机理的推测

4．4 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

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