NO_x吸附—分解催化新体系构建及过程特性研究

论文摘要

氮氧化物（NOx）是主要的大气污染物之一，也是形成光化学烟雾的主要前驱物，控制和治理氮氧化物污染一直是国际环保领域的研究热点。在众多的脱硝方法中催化分解法和选择性催化还原法（SCR）的研究和应用最为广泛。以氨气为还原剂的SCR技术已在工业中广泛应用，但投资和运行费用较高，且存在氨泄露、管道腐蚀和储运安全等问题。催化分解法无需还原剂、方法简单、且投资和运行费用较低，但迄今人们所开发的相关催化剂其催化活性大都因气相中氧气或水蒸汽的存在而受到抑制，并且催化剂起活温度高，大多在300℃以上。因此，有关NOx催化分解新体系的研究开发一直都是该领域的研究热点。将环境友好型杂多化合物（heteropoly compounds简写为HPCs）应用于NOx的催化分解可望避免氧气与水蒸汽抑制的问题，显示了很好的研究开发前景。本论文通过系统的实验设计与优化，制备并考察了杂多化合物及其负载型催化剂对NOx的脱除效果，构建了具有吸附-分解NOx功能的杂多化合物催化新体系，揭示了体系性能的构效关系，并借助现代化分析手段，揭示了吸附-分解过程机理。主要内容分为三部分：第一部分，初步确定了杂多化合物催化新体系的工艺条件，在有氧条件下考察了空速、水蒸汽含量、反应温度对体系脱硝性能的影响。结果表明：最佳的工艺条件为水蒸汽含量4．2％，反应温度150℃，空速5298h-1。杂多化合物催化剂有效解决了传统催化剂所存在的氧气、水蒸汽抑制和起活温度高等问题。第二部分，采用乙醚萃取法等制备出一系列具有Keggin结构的杂多化合物，考察了其对NOx的吸附性能，筛选出了最佳物种HPW；在此基础上，选择碳纳米管（CNT）、二氧化钛（TiO2）、铈锆氧化物、Y分子筛，活性炭、堇青石和活性白土为载体，采用常规浸渍法，制备出一系列的负载型磷钨酸催化剂，考察其对NOx的吸附性能，筛选出优良体系HPW／CNT、HPW／TiO2和HPW／CeO2，对其进行了XRD、BET、IR、TEM表征。结果表明：混酸(VHNO3：VH2SO4=1：3)能在CNT上引入C=O、COO-等含氧基团，以水为浸渍剂、混酸处理后的CNT为载体，HPW的最佳负载量为70％时，HPW／CNT催化体系对NOx的吸附性能最佳，吸附率高达73．5％；以水为浸渍剂，HPW负载量为20％，TiO2锻烧温度为500℃时，所制备的HPW／TiO2催化体系对NOx的吸附性能最佳，吸附率可达62．8％；HPW负载量为70％时，HPW／CeO2对NOx的吸附性能最佳，吸附率高达75．3％。以上催化体系对NOx的吸附性能与其比表面积相关性不大，主要是负载其上的HPW的假液相过程。第三部分，对最终优选体系HPW和HPW／CeO2吸附-分解NOx的过程特性和机理进行了研究。HPW／CeO2的适宜吸附条件为：氧气含量8％，水蒸汽含量4．2％，吸附反应温度170℃，空速2649h-1～5298h-1，与初步确定的工艺条件基本一致。计算出150℃下两种体系的饱和吸附量分别为50．5mg NO2／g和85．6mgNO2／g。通过IR表征揭示了吸附质与催化剂的作用方式，通过GC-MS检测确认了吸附质催化分解为N2的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 氮氧化物的危害及其污染现状
• 1.1.1 氮氧化物的危害
• 1.1.2 氮氧化物污染控制概况
• 1.2 烟气中氮氧化物污染控制技术
• 1.2.1 烟气中氮氧化物污染控制技术概述
• 1.2.2 低温选择性催化还原技术
• 1.3 杂多化合物的催化化学
• 1.3.1 杂多化合物的基本催化特性
• 1.3.2 杂多化合物所具备的优异的催化性能
• x的国内外研究进展'>1.4 杂多化合物催化脱除NO_x的国内外研究进展
• x研究进展'>1.4.1 杂多化合物催化脱除NO_x研究进展
• x研究进展'>1.4.2 负载型杂多化合物催化脱除NO_x研究进展
• 1.5 论文主要研究内容及创新点
• x吸附-分解催化新体系工艺条件的构建'>第二章 NO_x吸附-分解催化新体系工艺条件的构建
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 仪器与试剂
• 2.2.2 实验装置与方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 反应温度对体系脱硝性能影响
• 2.3.2 水蒸汽含量对体系脱硝性能的影响
• 2.3.3 空速对体系脱硝性能的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 杂多化合物催化体系的筛选
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 主要仪器与试剂
• 3.2.2 催化剂的制备
• 3.2.3 实验装置及方法
• 3.3 结果与讨论
• x的吸附性能研究'>3.3.1 常见 Keggin结构杂多酸对 NO_x的吸附性能研究
• xH_3-xPW₁₂O₄₀对 NO_x的吸附性能研究'>3.3.2 Cs_xH_3-xPW₁₂O₄₀对 NO_x的吸附性能研究
• x的吸附性能比较'>3.3.3 几种杂多酸盐对NO_x的吸附性能比较
• x的吸附性能研究'>3.3.4 1:11系列缺位杂多化合物对NO_x的吸附性能研究
• 3.4 本章小结
• 第四章 负载型杂多酸催化剂载体的筛选
• x的吸附性能研究'>4.1 碳纳米管负载磷钨酸催化体系对NO_x的吸附性能研究
• 4.1.1 前言
• 4.1.2 实验部分
• 4.1.3 结果与讨论
• 4.1.4 小结
• x的吸附性能研究'>4.2 二氧化钛负载磷钨酸催化体系对NO_x的吸附性能研究
• 4.2.1 前言
• 4.2.2 实验部分
• 4.2.3 结果与讨论
• 4.2.4 小结
• x的吸附性能研究'>4.3 铈锆氧化物负载磷钨酸催化体系对 NO_x的吸附性能研究
• 4.3.1 前言
• 4.3.2 实验部分
• 4.3.3 结果与讨论
• 4.3.4 小结
• x的吸附性能研究'>4.4 Y分子筛负载磷钨酸催化体系对NO_x的吸附性能研究
• 4.4.1 前言
• 4.4.2 实验部分
• 4.4.3 结果与讨论
• 4.4.4 小结
• x的吸附性能研究'>4.5 活性炭、堇青石等负载磷钨酸催化体系对NO_x的吸附性能研究
• 4.5.1 前言
• 4.5.2 实验部分
• 4.5.3 结果与讨论
• 4.5.4 小结
• x的吸附性能比较'>4.6 负载型磷钨酸催化体系对 NO_x的吸附性能比较
• x吸附-分解特性及机理研究'>第五章 NO_x吸附-分解特性及机理研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• x吸附特性实验'>5.2.1 NO_x吸附特性实验
• 5.2.2 饱和吸附量实验
• 5.2.3 吸附产物分析实验
• 5.2.4 程序升温脱附（TPD）实验
• 5.3 结果与讨论
• 2吸附NO_x特性研究'>5.3.1 70%HPW/CeO₂吸附NO_x特性研究
• x饱和吸附量的确定'>5.3.2 NO_x饱和吸附量的确定
• x的作用方式'>5.3.3 催化体系与NO_x的作用方式
• x的催化分解'>5.3.4 被吸附NO_x的催化分解
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间获得成果
• 学位论文评阅及答辩情况表