燃煤烟气中NO_x光催化治理研究

论文摘要

本研究依托国家973二级子课题“煤燃烧中NOx的生成机理及减排规律”，为治理对大气环境安全、生态环境安全、人类生存安全造成极大影响的NOx污染气体，本论文工作拟利用煤含氮模拟化合物吡啶热解氧化生成的NOx为气源，以自制的纳米颗粒／介孔分子筛组装体系为光催化剂，对燃煤型NOx的光催化技术进行了探索性研究。 论文工作中利用室温晶化法，以水玻璃为硅源制备六方有序、平行圆柱体孔道结构的介孔分子筛MCM-41。通过XRD、N2吸附-脱附、FT-IR及TG-DSC检测表明样品是介孔骨架结构规整、比表面积大、孔径分布范围窄、热稳定性好的分子筛载体。 以纳米TiO2为主光催化剂，分别以半导体SnO2、ZnO、CdS及稀土氧化物CeO2作为抑制光生电子-空穴复合的改性剂，通过溶胶凝胶法及液相沉积反应制备出四种纳米颗粒／介孔组装体系——MCs／TiO2／MCM-41新型复合光催化剂，代号分别为DS-1、DS-2、DS-3及DR。经XRD、FT-IR、N2吸附脱附等测试分析表明介孔分子筛MCM-41经组装后其介孔特征未改变，FT-IR、孔径分析、SEM及UV-Vis漫反射光谱分析表明各组分成功地组装在介孔分子筛MCM-41的孔道中，UV-Vis漫反射光谱还表明介孔载体的组装，使得纳米微粒尺寸减小，产生量子效应。 为进行NOx的光催化氧化研究，首先基于吡啶模拟煤中燃料氮转化为NOx的可行性分析，综合考虑吡啶氧化热解规律，选择合理设备及工艺参数，制备了光催化反应所需气源——模拟煤烟NOx。在流化床光反应器中，以紫外灯为光源，对NOx的光催化反应进行了实验研究，分析了氧气、湿度、光源波长、气流流量、改性剂掺杂量对NOx光催化影响的变化规律，实验结果表明：适量改性剂对纳米TiO2的掺杂修饰抑制了电子-空穴复合、介孔组装使光催化剂活性组分粒径变小强化了其量子尺寸效应，及催化剂载体的吸附作用等对光催化活性的提高起着重要的作用。 通过在暗场及紫外线辐照条件下进行的光催化实验及反应动力学研究，建立了动态吸附模型及光催化反应的动力学方程。并对NOx光催化氧化反应机理、催化剂的失活及再生进行了研究。结果表明：光催化过程是NOx在催化剂上的吸附和氧化还原反应共同作用的结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 1 文献综述及选题背景
• 1.1 环境安全
• 1.1.1 环境安全问题的提出
• 1.1.2 环境安全的特征与趋势
• 1.1.3 环境污染基本特征
• 1.1.4 大气污染危害
• 1.2 大气氮污染特征与生态效应
• 1.2.1 大气氮污染特征
• 1.2.2 大气氮污染的生物和生态效应
• x的来源'>1.3 NO_x的来源
• x的来源'>1.3.1 NO_x的来源
• 1.3.2 煤中氮分布与赋存形态
• 1.3.3 煤热解过程中氮官能团的变迁
• 1.3.4 模型化合物的研究
• x排放控制技术'>1.4 燃煤NO_x排放控制技术
• 1.4.1 烟气脱氮后处理技术
• x技术'>1.5 光催化氧化NO_x技术
• 1.6 主要研究内容及技术路线
• 1.6.1 主要研究内容
• 1.6.2 技术路线
• x的生成'>2 模拟烟气NO_x的生成
• x的实地测试'>2.1 煤烟气NO_x的实地测试
• x的制备'>2.2 模拟燃煤烟气NO_x的制备
• 2.2.1 模型化合物的选择
• 2.2.2 实验条件
• x的实验装置'>2.2.3 产生NO_x的实验装置
• 2.2.4 实验步骤
• 2.2.5 气体产物分析
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 FT-IR定性分析
• 2.3.2 氧化气体定量分析
• 3、HCN（NO_x）的比较'>2.4 煤中氮与模型化合物吡啶热解（氧化）形成NH₃、HCN（NO_x）的比较
• 2.5 本章结论
• x催化剂载体的选择与合成'>3 光氧化NO_x催化剂载体的选择与合成
• x催化剂载体的选择'>3.1 光氧化NO_x催化剂载体的选择
• 3.1.1 光催化剂常用载体
• 3.1.2 介孔分子筛载体
• 3.2 载体MCM-41的合成
• 3.2.1 合成所用主要试剂
• 3.2.2 合成方法
• 3.2.3 合成的基本特征
• 3.3 结果分析
• 3.3.1 XRD分析
• 3.3.2 孔分布特征
• 3.3.3 FT-IR分析
• 3.3.4 TG-DSC分析
• 3.4 载体MCM-41的热稳定性和水热稳定性
• 3.4.1 热稳定性测试
• 3.4.2 水热稳定性测试
• 3.5 本章结论
• x复合型光催化剂MCs／TiO₂／MCM-41的制备与表征'>4 光氧化NO_x复合型光催化剂MCs／TiO₂／MCM-41的制备与表征
• x用对比试样纳米TiO₂的合成与表征'>4.1 光氧化NO_x用对比试样纳米TiO₂的合成与表征
• 4.1.1 主要试剂及催化剂的合成
• 4.1.2 结果与讨论
• 4.2 DS-1复合负载型光催化剂的制备与表征
• 4.2.1 主要试剂及催化剂的合成
• 4.2.2 结果与讨论
• 4.3 DS-2复合负载型光催化剂的制备与表征
• 4.3.1 主要试剂及催化剂的合成
• 4.3.2 催化剂测试表征手段
• 4.3.3 结果与讨论
• 4.4 DS-3复合负载型光催化剂的制备与表征
• 4.4.1 主要试剂及催化剂的合成
• 4.4.2 催化剂的表征方法
• 4.4.3 结果与讨论
• 4.5 DR复合负载型光催化剂的制备与表征
• 4.5.1 主要试剂及催化剂的合成
• 4.5.2 催化剂的表征方法
• 4.5.3 结果与讨论
• 4.6 负载模型的提出
• 4.7 本章结论
• x的光催化氧化影响因素及反应动力学'>5 模拟煤烟NO_x的光催化氧化影响因素及反应动力学
• x光催化氧化实验装置'>5.1 NO_x光催化氧化实验装置
• 5.1.1 光催化反应装置
• 5.1.2 气体及光催化产物分析
• x在介孔负载型纳米光催化剂上的吸附'>5.2 NO_x在介孔负载型纳米光催化剂上的吸附
• x在不同复合催化剂上的光催化氧化效果'>5.3 NO_x在不同复合催化剂上的光催化氧化效果
• x初始浓度对光氧化效率的影响及动力学分析'>5.4 NO_x初始浓度对光氧化效率的影响及动力学分析
• x初始浓度对反应级数的影响'>5.4.1 NO_x初始浓度对反应级数的影响
• x初始浓度对光催化速率的影响'>5.4.2 NO_x初始浓度对光催化速率的影响
• x光催化反应动力学分析'>5.4.3 NO_x光催化反应动力学分析
• x初始浓度对最大光催化效率的影响'>5.4.4 NO_x初始浓度对最大光催化效率的影响
• x在O₂作用下的光催化氧化效果'>5.5 NO_x在O₂作用下的光催化氧化效果
• x在不同入射光波长作用下的光催化氧化'>5.6 NO_x在不同入射光波长作用下的光催化氧化
• x化氧化效率的影响'>5.7 气流流量对NO_x化氧化效率的影响
• x光催化效果的影响'>5.8 湿度对NO_x光催化效果的影响
• 5.9 活性问题
• 5.9.1 失活机理分析
• 5.9.2 再生
• 5.10 反应产物及反应机理
• 5.11 本章结论
• 6 结论
• 6.1 本论文的主要结论
• 6.2 本论文的主要创新点
• 6.3 对今后工作的建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录