渗氮和热处理对炭还原NO的活性影响及机理研究

论文摘要

NOx不仅是大气污染物的主要成分,而且会造成二次污染,已成为当前大气污染防治的主要对象。我国NOx的工业源排放情况十分严重,这些排放源常集中分布在城市或者工业密集区域,其排放口低,NOx浓度很高,其危害性和潜在危害性大,因此,工业高浓NOx废气的治理具有重要意义。目前用于治理工业高浓NOx废气的技术各有优势,但也存在明显的不足,高效、经济的NOx治理技术的开发已成为该领域的研究热点。活性炭在适宜的反应条件下可表现出良好的脱硝性能,与气态还原组分相比,其来源丰富、成本低廉、不会产生二次污染,在工业高浓NOx废气治理领域有良好的应用前景。由于该过程是一个气-固相反应,所以活性炭的表面化学性质对NOx的还原有重要影响,但有关此方面的研究较缺乏,还需要进行更多基础研究,为此工艺的工业化应用莫定基础。本论文通过渗氮和热处理对活性炭和载铁活性炭进行了改性,借助元素分析、XRD、XPS、TPD-MS和TGA等手段,研究了渗氮和热处理对活性炭表面物化性质的影响规律,同时通过TPR和ISOR实验,考察了改性活性炭反应活性和选择性,并关联表征分析,探讨了渗氮和热处理对活性炭还原NO反应的影响机理及动力学。结果表明:1、渗氮和热处理对活性炭表面化学性质的影响明显。当活性炭经氨气热处理1～4h后,表面氧含量显著降低,同时表面形成稳定的含氮官能团,而热处理主要降低了其表面氧含量。2、氨气热处理渗氮的活性中心是炭表面的C-OH基团,渗入的氮原子大多位于石墨层结构的边缘,主要以N-5和N-6形态存在。Fe2O3的存在提高了活性炭的渗氮效果,C=O基团是载铁活性炭的渗氮活性中心。3、在有氧条件下,活性炭的渗氮处理将其起始反应温度降低了约200℃,同时提高了活性炭的低温反应活性和选择性。表面含氮官能团可能作为催化活性中心促进了活性中间产物NO2的生成,其可以提高活性炭的低温反应活性。与活性炭相比,渗氮活性炭还原NO反应的表观活化能降低了60-80%。4、在有氧条件下,渗氮的载铁活性炭表现出优异的反应活性,其在500℃的NOx转化率超过40%,这归因于活性炭表面Fe2O3和含氮官能团对C-NO反应的协同促进作用。渗氮后,载铁活性炭的反应选择性提高了40～60%,表观活化能降低了30-60%。5、在无氧条件下,活性炭热处理降低了其还原NO的反应活性,且其反应活性随着热处理程度的加深而降低,这与炭表面C-OH数量的减少有直接关系,C-OH在C-NO反应中扮演了重要角色。在有氧条件下,热处理对活性炭反应活性的影响可以忽略。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究目的
• 第二章 文献综述
• x污染概况'>2.1 NO_x污染概况
• x排放源'>2.1.1 NO_x排放源
• x的主要危害'>2.1.2 NO_x的主要危害
• x的治理技术'>2.2 工业源NO_x的治理技术
• 2.2.1 选择性催化还原法（SCR）
• 2.2.2 选择性非催化还原法（SNCR）
• 2.2.3 吸附法
• 2.2.4 液体吸收法
• 2.2.5 离子体活化法
• x去除技术'>2.2.6 其他NO_x去除技术
• x技术的研究进展'>2.3 活性炭还原NO_x技术的研究进展
• 2.3.1 前言
• 2.3.2 C-NO低温反应
• 2.3.3 C-NO催化反应研究
• 2.3.4 炭表面化学性质对C-NO反应的影响
• 2.3.5 其他气体对C-NO反应的影响
• 2.3.6 热处理对活性炭反应活性的影响
• 2.4 论文的研究思路和主要内容
• 2.4.1 论文的研究思路
• 2.4.2 主要研究内容
• 第三章 实验部分
• 3.1 实验概要
• 3.2 实验器材
• 3.2.1 实验仪器
• 3.2.2 主要实验试剂
• 3.3 活性炭的脱矿处
• 3.4 改性活性炭的制备及评价
• 3.4.1 渗氮活性炭的制备
• 3.4.2 载铁活性炭的制备
• 3.4.3 载铁活性炭的渗氮
• 3.4.4 活性炭的热处理
• 3.4.5 渗氮活性炭活性的测定
• 3.4.6 转化率和选择性计算方法
• 3.5 活性炭的表征
• 3.5.1 活性炭结构参数的测定
• 3.5.2 体相的元素分析
• 3.5.3 炭表面组成分析（XPS）
• 3.5.4 TPD-MS分析
• 3.5.5 活性炭的晶相组成分析（XRD）
• 3.5.6 活性炭碱度的测定
• 3.5.7 活性炭的热重分析（TGA）
• 第四章 渗氮活性炭的反应活性研究
• 4.1 前言
• 4.2 活性炭的脱矿效果
• 4.3 活性炭的表征
• 4.3.1 活性炭的物理结构分析
• 4.3.2 活性炭的元素分析
• 4.3.3 XPS分析
• 4.3.4 TPD-MS分析
• 4.4 渗氮活性炭的活性研究
• 4.4.1 TPR实验研究
• 4.4.2 ISOR实验研究
• 4.5 反应选择性研究
• 4.6 渗氮活性炭低温还原NO的机理研究
• 4.7 本章小结
• 第五章 载铁活性炭的渗氮及反应活性研究
• 5.1 前言
• 5.2 活性炭的表征分析
• 5.2.1 活性炭的结构参数
• 5.2.2 载铁活性炭的XRD表征
• 5.2.3 载铁活性炭的SEM表征
• 5.2.4 活性炭的元素分析
• 5.2.5 活性炭的XPS表征
• 5.3 渗氮活性炭的反应活性研究
• 5.3.1 TPR实验研究
• 5.3.2 ISOR实验研究
• 5.4 反应选择性研究
• 5.5 渗氮对载铁活性炭反应活性的影响机理分析
• 5.6 反应动力学研究
• 5.7 本章小结
• 第六章 活性炭热处理对其反应活性的影响及机理研究
• 6.1 前言
• 6.2 热处理对活性炭反应活性的影响
• 6.2.1 热处理温度的影响
• 6.2.2 热处理时间的影响
• 6.2.3 预热处理对活性炭的反应活性影响
• 6.2.4 氧气对热处理活性炭的反应活性影响
• 6.3 活性炭的表征
• 6.3.1 物理结构分析
• 6.3.2 元素分析和总碱度
• 6.3.3 XPS分析
• 6.3.4 TPD-MS分析
• 6.4 热处理对活性炭反应活性的影响机理分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 本文的创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 科研成果
• 致谢