黄磷尾气吸附—催化氧化性能及机理研究

论文摘要

本文重点研究了过渡金属氧化物催化剂和酸碱催化剂催化氧化黄磷尾气中P、S杂质的性能及机理。本文筛选了制备催化剂用载体吸附剂:筛选催化剂的活性组分;在活性组分确定的前提下对催化剂吸附净化PH3和H2S气体做单因素实验,研究催化剂的吸附性能;对过渡金属氧化物催化剂做正交实验,确定各影响因素交互作用下的最佳实验条件;利用催化剂的吸附等温线计算吸附热;过渡金属氧化物催化剂用SEM、BET、XRD、XPS表征,酸催化剂用IR和碱吸附量热法表征,为机理研究提供数据;通过基础实验数据、吸附热和表征结果共同研究催化剂的净化机理;对催化剂的再生进行考查,确定最佳的再生方法和再生效果;用实际黄磷尾气验证催化剂的吸附性能。分别选用ZP-3型活性炭和13X分子筛作为过渡金属氧化物催化剂和酸催化剂的载体吸附剂;过渡金属氧化物催化剂的浸渍溶液为Cu（Ac）2,活性组分为CuO和Cu2O,酸催化剂的活性溶液为Cu（SO）4,活性组分为Cu（SO）4脱水后形成的B酸和L酸;过渡金属氧化物的单因素最佳实验条件为:浸渍液浓度0.05mol/L、干燥温度120℃、焙烧温度250℃;吸附反应温度95℃;氧含量为3%,酸催化剂的单因素最佳实验条件为:浸渍液浓度0.1mol/L、干燥温度120℃、焙烧温度300℃、吸附反应温度无氧时20℃吸附效果最佳、吸附反应温度有氧时95℃吸附效果最佳、氧量为1%。过渡金属氧化物催化剂对PH3和H2S吸附均主要是化学吸附,且吸附为吸热过程;催化剂的表征结果证实了催化剂表面吸附前后的变化,利用表征结果、前期的实验和计算数据初步研究了过渡金属氧化物催化剂的净化机理;实验采用的两步再生方法可获得较好的再生效果,并可防止再生带来的二次污染。酸催化剂的吸附热证明在无氧条件下,化学吸附是一个放热过程,吸附热为71.23165kJ/mol,发生络合反应,温度降低,络合速度加快;在有氧条件下,化学吸附是一个吸热过程,吸附热为105.20229kJ/mol,PH3在络合吸附态下发生氧化反应;表征证实了酸中心和酸中心的强弱,并证实了酸中心对PH3的吸附;结合基础实验数据、吸附热和表征结果对酸催化剂的净化机理进行初步的研究;机理推断的再生方法基本可行,并防止再生带来的二次污染。现场实验部分分析测定了黄磷尾气中的各种气体物质的浓度,验证了两种催化剂对黄磷尾气中各种磷、硫化物的吸附性能;考查焙烧和未焙烧对过渡金属氧化物催化剂吸附性能的影响;相同载体吸附剂上过渡金属氧化物催化剂较酸催化剂的吸附性能要略好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 主要研究内容
• 第二章 文献综述
• 2.1 黄磷尾气
• 2.1.1 黄磷尾气的产生
• 2.1.2 黄磷尾气的组成
• 2.2 黄磷尾气净化技术
• 2.2.1 干法净化法
• 2.2.2 碱洗—催化氧化法
• 2.3 黄磷尾气的主要用途
• 2.3.1 用作燃料
• 2.3.2 合成化工产品
• 2.4 课题研究基本理论
• 2.4.1 吸附等温方程
• 2.4.2 吸附热基本理论
• 2.4.3 催化剂基本理论
• 2.5 本章小结
• 第三章 实验装置、方法及分析
• 3.1 过渡金属氧化物和酸催化剂的制备
• 3.1.1 实验装置
• 3.1.2 制备方法的选择
• 3.1.3 催化剂制备
• 3.2 催化剂吸附穿透实验
• 3.2.1 实验装置
• 3.2.2 实验流程及条件
• 3.2.3 实验方法
• 3.3 正交实验
• 3.3.1 实验装置及流程
• 3.3.2 实验方法
• 3.4 催化剂吸附等温线的测定
• 3.4.1 实验装置及流程
• 3.4.2 实验方法
• 3.5 催化剂表征
• 2吸附表征'>3.5.1 低温N₂吸附表征
• 3.5.2 SEM表征
• 3.5.3 XRD表征
• 3.5.4 XPS表征
• 3.5.5 IR表征
• 3.6 再生实验
• 3.6.1 实验仪器及装置
• 3.6.2 再生流程及方法
• 3.7 现场实验
• 3.7.1 现场实验流程
• 3.7.2 现场实验条件
• 3.8 分析方法
• 3.8.1 HC-6微量磷硫色谱仪
• 3.8.2 GC-14C岛津色谱仪
• 3.8.3 实验用流量计的调整与校正
• 3.9 本章小结
• 第四章 过渡金属氧化物催化剂实验结果与分析
• 4.1 催化剂载体的筛选
• 4.1.1 载体材料
• 4.1.2 载体吸附剂的吸附实验
• 4.1.3 载体改性后的吸附实验
• 4.2 催化剂配方的筛选
• 4.2.1 活性物质的筛选
• 4.2.2 铜负载形态的考查
• 4.3 催化剂单因素实验
• 4.3.1 催化剂制备工艺实验
• 4.3.2 催化剂吸附反应条件实验
• 4.4 催化剂正交实验及实验结果
• 3正交实验及结果'>4.4.1 催化剂吸附PH₃正交实验及结果
• 2S正交实验及结果'>4.4.2 催化剂吸附H₂S正交实验及结果
• 4.5 过渡金属氧化物催化剂吸附热的计算
• 4.5.1 吸附等温线的测定
• 3吸附热的计算'>4.5.2 PH₃吸附热的计算
• 2S吸附热计算'>4.5.3 H₂S吸附热计算
• 4.6 过渡金属氧化物催化剂的表征
• 4.6.1 扫描电镜（SEM）
• 2-吸附表征'>4.6.2 N₂-吸附表征
• 4.6.3 X射线衍射（XRD）
• 4.6.4 X射线光电子能谱（XPS）
• 4.7 催化氧化净化机理的研究
• 4.7.1 催化剂催化氧化机理
• 4.7.2 催化剂上的化学反应
• 4.7.3 过渡金属氧化物催化剂净化机理
• 4.8 过渡金属氧化物催化剂的再生
• 4.8.1 再生方法
• 4.8.2 再生方案一
• 4.8.3 再生方案二
• 4.9 本章小结
• 第五章 酸催化剂实验结果与分析
• 5.1 催化剂载体的筛选
• 5.2 催化剂配方的筛选
• 5.3 酸催化剂单因素实验
• 5.3.1 催化剂制备工艺实验
• 5.3.1.1 制备过程中浸渍液浓度的影响
• 5.3.1.2 制备过程中干燥温度的影响
• 5.3.1.3 制备过程中焙烧温度的影响
• 5.3.2 催化剂的吸附反应条件实验
• 5.4 酸催化剂吸附等温线和吸附热的计算
• 5.4.1 无氧时的吸附等温线和吸附热计算
• 5.4.2 有氧时的吸附等温线和吸附热计算
• 5.5 酸催化剂的表征
• 5.5.1 红外光谱（IR）
• 5.5.2 碱吸附量热法
• 5.6 酸催化剂净化机理
• 5.6.1 酸中心的形成
• 5.6.2 酸催化剂净化机理
• 5.7 酸催化剂的再生
• 5.7.1 无氧吸附再生实验
• 5.7.2 有氧吸附再生实验
• 5.8 本章小结
• 第六章 现场实验
• 6.1 概述
• 6.2 现场实验数据
• 6.2.1 实验装置工作参数
• 6.2.2 黄磷尾气气体成分
• 6.2.3 黄磷尾气气体吸附实验
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论和建议
• 7.1 结论
• 7.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 载体吸附剂物性参数
• 附录B 现场实验数据图
• 附录C 符号说明
• 附录D 攻读硕士期间发表的论文
• 附录E 攻读硕士期间参与的科研项目