催化分解纯的或气体混合物中含有的一氧化二氮的方法

摘要

在200至900℃温度下催化分解纯的或气体混合物中含有的一氧化二氮的方法，其中使用一种通过使CuAl2O4与氧化物或盐或元素形式的锡、铅、元素周期表第II主族或副族的一种元素化合，并在300至1300℃温度和0.1至200巴压力下煅烧所制备的催化剂。

说明书

说明书

本发明涉及一种用催化剂催化分解纯的或气体混合物中含有的一氧化二氮的方法，其中所用的催化剂通过R-Al₂O₄(其中R为元素周期表第I、VII和VIII副族的一种元素)与氧化物或盐或元素形式的锡、铅、元素周期表第II主族或副族的一种元素化合并在300至1300℃温度和0.1至200巴压力下煅烧制得。

Catalysis Today 4,235至251页(1989)公开了一篇关于用氧化物催化剂，尤其是混合氧化物催化分解一氧化二氮(笑气)的活化能的综述。

那里描述的催化剂还需进一步提高活性或寿命，或含有贵重的元素如贵金属。

本发明的任务就是要消除以上缺点。

因此，本发明找到了一种在200至900℃温度下催化分解纯的或气体混合物中含有的一氧化二氮的新的改进的方法，其特征在于，使用一种通过使CuAl₂O₄与氧化物或盐或元素形式的锡、铅、元素周期表第II主族或副族的一种元素化合并在300至1300℃温度和0.1至200巴压力下煅烧得到的催化剂。

本发明方法可以下述方法实施：

可以这样实施本发明的方法：在一个炉子或换热器中将纯的一氧化二氮或含一氧化二氮的气体混合物或含一氧化二氮的废气预热到必需的反应温度，通常为200至900℃，优选250至800℃，特别优选350至700℃，然后使其通过一根装有所述催化剂的反应管。也可以直接在反应管中用接在前面的处于反应温度下的惰性材料层进行反应气体的预热。催化剂和/或惰性材料的加热除了可用外来热源之外，还可利用一氧化二氮分解时释放的反应热。

一氧化二氮可以采用极纯净的形式、与氧气或空气的混合物、与含大量水分和/或大量其它氮氧化物如一氧化氮和二氧化氮的空气或更高浓度的氮氧化物和其它气体如NO、N₂、O₂、CO、CO₂、H₂O和惰性气体的混合物，特别是己二酸装置的废气的形式，其中一氧化二氮可以选择性地分解成元素氮和氧，而其它氮氧化物不会明显地分解为元素。氮氧化物NO_x的含量通常可为0至50％(Vol)，优选1至40％(Vol)，特别优选10至30％(Vol)，N₂O含量通常可为0.01至65％(Vol)，优选1至55％(Vol)，特别优选5至45％(Vol)。例如，在含例如20％水分和65％二氧化氮(NO₂)的混合物中的一氧化二氮即顺利地选择性分解成元素。

适用的催化剂可以通过CuAl₂O₄与元素、氧化物或盐形式的锡、铅、元素周期表第II主族或副族的一种元素化合并在300至1300℃温度和0.1至200巴压力下煅烧制得。这些催化剂不含贵金属(Ag、Au、Pd、Pt)，其BET表面积为1至350m²/g。

可以一种氧化物固体为原料，该固体部分或全部地—也即1至100％(重量)，优选10至90％(重量)，特别优选20至70％(重量)—为CuAl₂O₄成分在AL₂O₃基质中的尖晶石，将其与相同或更高浓度氧化物或盐或元素形式的锡、铅、元素周期表第II主族或副族的一种元素混合，并在300至1300℃，优选500至1200℃，特别优选600至1100℃的温度和压力为0.1至200巴，优选0.5至10巴，特别优选在常压(大气压力)下煅烧。

与氧化物或盐(例如在溶液中)或元素形式的锡、铅、元素周期表第II主族或副族的一种元素的混合例如可以通过采用磨碎的组分CuAl₂O₄的固体，优选在Al₂O₃中，特别优选在γ-Al₂O₃中进行喷射、机械混合、搅拌、捏合，或优选采用未磨碎的组分CuAl₂O₄的固体，优选在Al₂O₃中，特别优选在γ-Al₂O₃中进行浸渍来完成。

通过在煅烧步骤中由元素、氧化物或盐类形式的元素锡、铅、元素周期表第II主族或副族的元素部分地(＞50％(摩尔)，优选＞70％(摩尔)，特别优选＞90％(摩尔))或全部地(100％(摩尔))取代尖晶石中的铜，可以引发铜以元素或氧化物形式释放出来，这通常会导致高分散性分布，这样生成的尖晶石从热力学角度上比原料尖晶石CuAl₂O₄更稳定。在成品催化剂中，铜或氧化铜的含量为0.1至50％(重量)，优选1至40％(重量)，特别优选5至30％(重量)。

作为元素周期表第II主族或副族的元素，可用氧化物或盐状化合物或元素本身(金属形式)。作为盐状化合物例如可列举碳酸盐、氢氧化物、羧酸盐(Carboxylate)、卤化物和氧化物阴离子如亚硝酸盐、硝酸盐、亚硫酸盐、硫酸盐、亚磷酸盐、磷酸盐、焦磷酸盐、亚卤酸盐(Halogenite)、卤酸盐(Halogenate)和碱性碳酸盐，优选碳酸盐、氢氧化物、羧酸盐、亚硝酸盐、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐和碱性碳酸盐，特别优选碳酸盐、氢氧化物、碱性碳酸盐和硝酸盐，优选以氧化级+2存在如Zn²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺和Ba²⁺，特别是Zn²⁺和Mg²⁺，或它们的混合物。

优选尖晶石形式的组分CuAl₂O₄的起始氧化物的制备已由例如Z.Phys.Chem.，141(1984)101～103页所公开。已证明有利的方法是用一种可溶化合物如阳离子R的一种盐例如亚硝酸盐、硝酸盐、亚硫酸盐、硫酸盐、碳酸盐、氢氧化物、羧酸盐、卤化物、亚卤酸盐和卤酸盐浸渍一种Al₂O₃载体，并接着将阴离子热分解成氧化物。另一种可能是将一种化合物如阳离子R的一种盐与一种含氧的铝化合物混合，例如通过干燥或在悬浮液中特别通过喷雾干燥，压缩该材料，例如通过捏合，必要时通过加入一种合适的变形助剂，经挤压成形，干燥，并接着煅烧形成尖晶石。煅烧温度可为300至1300℃，优选600至1000℃。

掺杂高表面面积的氧化铝载体，也即形成混合氧化物，会提高载体的耐热性(例如DE-A-3403328，DE-A-2500548，Appl.Catal.7，211-220(1983)，J.Catal.127，595至604(1991))。另外，外来离子还有助于提高催化剂的催化活性。通常可以考虑掺杂下列元素：碱金属，碱土金属，稀土金属，Sc，Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Zn，Y，Zr，B，Si，Ge，Sn，Pb，P，Bi。氧化铝的取代度例如可以为0.01～20％(重量)。

在未使用过的催化剂中氧化铜晶体的粒度为1～100nm，优选3～70nm，特别优选5～50nm。例如用XRD(X射线衍射)或TEM(透射式电子显微术)可测定粒度。

本发明的催化剂含有2至20nm的中孔和大于20nm的大孔，BET表面积为1至350m²/g，优选10至200m²/g，特别优选25至150m²/g，孔隙率为0.01至0.8ml/g。

本发明方法中优选使用的催化剂通常含0.1至50％(重量)，特别是2至30％(重量)氧化铜，以氧化铝重量为基准。形成尖晶石的金属的浓度等于或大于铜的浓度(摩尔/摩尔)。

GHSV通常为500至50000NL气体/L Kat*h，优选1500至20000NL气体/L Kat*h。

实施例

进行一氧化二氮的分解

(a)用一根分为加热区和反应区的800mm长的哈斯特洛伊耐蚀镍基合金(Hasteloy)C反应管作绝热过程的试验装置。内径为18mm。为了能测出管内的温度曲线，放入一根外径3.17mm的内管，管内可以放入一根可容易地移动的热电偶。为了改进热传递，反应器的加热区装有惰性材料(滑石)。

(b)也可以在一个盐浴反应器中于准等温条件下进行该反应。用由53％(重量)KNO₃、40％(重量)NaNO和7％(重量)NaNO组成的熔盐作热载体。在一根600mm长的哈斯特洛伊耐蚀镍基合金C反应管中进行分解。内径为14mm。气体经过一段较长的加热段加热到反应温度。为了能测量管内的温度曲线，这里也放入一根外径3.17mm的内管，其中放入一根可以容易地移动的热电偶。

每次均试验40ml催化剂(1.5至2mm的碎片)。

试验分解一种气体混合物中的N₂O，这对于已二酸装置的废气是很典型的。

典型的气体组成为：

N₂O：     23％(体积)

NO₂ ：     17％(体积)

N₂  ：     47％(体积)

O₂  ：     7.5％(体积)

H₂O：     3％(体积)

CO₂ ：     2.5％(体积)

GHSV ：     4000NL气体/LKat*h

催化剂的制备：

实施例1

使一种由284g Puralox^SCF(Condea公司)、166g Pural^SB(Condea公司)和100g CuO(Merck公司)组成的混合物与20ml蚁酸(溶于140ml水中)一起捏合0.75小时，挤压成3mm的条，干燥并在800℃煅烧4小时。

用49ml含32.6g Zn(NO₃)₂的硝酸(pH3)水溶液两次浸渍71.4g含CuAl₂O₄的氧化铝载体(吸水：69.1％)，并在室温下放置一小时。在120℃干燥浸渍过的载体至重量不变，接着在600℃煅烧4小时。

实施例2

使一种由346g Puralox^SCF(Condea公司)、180g Pural^SB(Condea公司)和120g CuO(Merck公司)组成的混合物与18ml蚁酸(溶于390ml水中)一起捏合1小时，挤压成3mm的条，干燥并在800℃煅烧4小时。

用47ml含45.2g Mg(NO₃)₂.6H₂O的硝酸(pH2.5)水溶液三次浸渍85.2g含CuAl₂O₄的氧化铝载体(吸水：70％)，并在室温下放置一小时。在120℃干燥浸渍过的载体至重量不变，接着在700℃煅烧4小时。

实施例3

使一种由288.4g Puralox^SCF(Condea公司)、350g Pural^SB(Condea公司)和140g CuO(Merck公司)组成的混合物与25ml蚁酸(溶于530mlH₂O中)一起捏合1小时，挤压成3mm的条，干燥并在800℃煅烧4小时。

用47ml含34.7g Ca(NO₃)₂的硝酸(pH3.1)水溶液两次浸渍65.9g含CuAl₂O₄的氧化铝载体(吸水：60.3％)；并在室温下放置1小时。在120℃干燥浸渍过的载体至重量不变，接着在700℃煅烧4小时。

比较例1

按DE-A-4029061制备一种催化剂。用100mi含41.7gAgNO的水溶液浸渍150g市售常见的氧化铝载体(BET表面积1.7m²/g；吸水：29.2％(重量))，并在室温下放置1小时。在120℃干燥浸渍过的载体至重量不变，并接着在700℃煅烧4小时。这样得到的催化剂含有14.6％(重量)银，其BET表面积为1.12m²/g。

比较例2

制备DE-A-3543640中优选的载带在α-氧化铝上的钯催化剂。用NaOH浸渍200g α-氧化铝(BET表面积20.2m²/g)，并在120℃干燥。用96ml含1.29gPd的四氯钯(II)酸(Palladat)钠水溶液浸渍该载体，并在室温下放置三小时。用肼处理该含Pd²⁺载体以还原Pd²⁺。接着冲洗催化剂使之不含氯，并在120℃干燥至重量不变。这样得到的催化剂含0.64％(重量)钯。

比较例3

按DE-A-4128629制备一种催化剂。使225g Pural^SB与25g La(NO₃)₃和12.5g蚁酸一起捏合3小时，压条、干燥并煅烧。用50.9ml含17.8g AgNO₃的水溶液浸渍其中的64.10g(BET表面积为183m²/g；吸水76％(重量))，并在室温下放置一小时。在120℃下干燥浸渍过的载体至重量不变，接着在700℃煅烧4小时。这样得到的催化剂含有14.5％(重量)银，BET表面积为156m²/g。

试验结果

a)绝热过程

催化剂 寿命   (h) 温度    (℃) 转化率(％) 1 1036  480 ＞99,9 2 1025  485 ＞99,9 3 1013  485 ＞99,9 V1 150  610   97,5 V2 112  640   66,5 V3 280  530 ＞99,9

试验结果(催化剂1至3)说明，新开发的无银催化剂在绝热过程中比现有技术催化剂V1至V3活性高而且更稳定。

b)等温过程

催化剂 寿命    (h)盐溶温度(℃) N₂O-转化率 (％) 1 48 540  98,0 2 48 540  97,2 3 48 540  97,4 V3 48 540  41,0

试验结果(催化剂1至3)表明，在等温过程中的活性差别比在绝热过程中明显得多，这里N₂O分解所释放的能量对分解有很大的贡献。新开发的无银催化剂比现有技术(催化剂V1至V3)的优越性可由等温反应得到明确的证实。