CN101716511A - 一种催化燃烧工业有机废气催化剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种催化燃烧工业有机废气催化剂及其制备方法，属于环境保护催化材料和大气污染治理技术领域。所述催化剂是由自制催化剂载体和负载其上的活性组分构成，其中活性组分是由铜钴复合金属氧化物组成。所述的铜钴复合金属氧化物中氧化铜∶氧化钴的摩尔比为1～4∶4～1。所述的铜钴复合金属氧化物催化剂活性组分的负载的质量百分数为5～25％。所述的自制催化剂载体是一种以氧化镁，氧化硅，氧化铝为主要原料，经高温1360～1400℃焙烧而成，并经过酸处理的蜂窝陶瓷载体，其中原料质量百分配比为氧化镁10～30％、氧化硅30～60％、氧化铝20～40％。

Description

一种催化燃烧工业有机废气催化剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种催化燃烧工业有机废气催化剂及其制备方法，属于环境保护催化材料和大气污染治理技术领域。

背景技术

当今无论是在石油化工、涂料、药物合成、橡胶等生产过程，还是印刷、烤漆、电子元器件的脱脂、胶片织物涂层等工艺中，会释放出苯、甲苯、二甲苯、醋酸乙脂、丙酮、甲醇、甲醛等含挥发性有机化合物(VOCs)废气。这些有害气体大量排放是引起大气光化学烟雾、温室效应和臭氧层破坏的原因之一。同时这些有机废气对人的眼、鼻、呼吸道有刺激作用，对心、肺、肝等内脏及神经***产生有害影响，甚至造成急性和慢性中毒，可致癌、致突变。

目前世界上已经应用和正在开发的VOCs脱除技术主要有吸附法、冷凝法、吸收法、生物处理技术、膜分离技术、光催化、直接燃烧法、催化燃烧法和等离子体技术等。催化燃烧由于比热力燃烧具有更低的操作温度和在很低的浓度下进行操作，使之成为目前最有前景的VOCs处理方法。

催化氧化的核心技术是催化剂，目前应用最广的是以Pt、Pd等贵金属为活性组分、蜂窝陶瓷为载体催化剂，如公开号为CN1415410A的发明书中所介绍，该发明采用贵金属活性组分Pt以浸渍法通过有机酸的竞争吸附分布于蜂窝陶瓷外表面的方法，使得该催化剂在净化有机废气及其它可燃组分的废气时，即使在贵金属含量较低时也表现出较高的氧化活性，并且有良好的活性，但该催化剂存在着资源稀少、价格昂贵和抗毒性差等缺点。过渡金属氧化物型催化剂，此类催化剂活性低，但经过改性活性可以和贵金属型催化剂相当，所以过渡金属氧化物型催化剂已经成为催化燃烧催化剂的研究热点和应用趋势。如公开号为CN1462648的发明书所介绍的，该发明是一种Cu-Mn-Zr-Ce-O四组分催化剂，该发明成本低，操作条件温和，与现有技术的非金属催化剂相比，可大大降低完全燃烧的反应温度，提高催化活性，可大幅度延长催化剂的寿命，但是该催化剂制备工艺复杂，不利于扩大生产。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足之处提供一种催化燃烧工业有机废气催化剂及其制备方法，是一种催化活性高、制造方法简单、价格低廉的铜钴复合金属氧化物催化剂。本发明另外一个目的就是提供上述催化剂的制备方法。

一种催化燃烧工业有机废气催化剂及其制备方法是采取以下技术方案实现：

一种催化燃烧工业有机废气催化剂，其特征在于催化剂采用自制催化剂载体和活性组分是铜钴复合金属氧化物构成；其中铜钴复合金属氧化物中氧化铜∶氧化钴的摩尔比为1～4∶4～1，铜钴复合金属氧化物催化剂活性组分负载的质量为载体的5～25％。

所述的自制催化剂载体是一种以氧化镁、氧化硅、氧化铝、氧化钛为主要原料，经高温1360～1400℃焙烧而成，并经过酸处理的蜂窝陶瓷载体。其中，酸处理方式为先将载体放在质量百分数为5～20％草酸溶液中于烘箱60～100℃的条件下处理6～10个小时，最后再用蒸馏水在超声波中清洗干净；其中原料质量百分配比为氧化镁10～30％、氧化硅30～60％、氧化铝20～40％、氧化钛5～15％。

一种催化燃烧工业有机废气催化剂的制备方法，其具体步骤为：

(1)自制载体的制备和处理

将氧化镁、氧化硅、氧化铝、氧化钛按配比混合，其中原料质量百分配比为氧化镁10～30％、氧化硅30～60％、氧化铝20～40％、氧化钛5～15％。经1360～1400℃高温焙烧2～6个小时得到自制的新型载体，将载体放在质量百分数为1～20％草酸溶液中于烘箱60～100℃的条件下处理6～10个小时，最后再用蒸馏水在超声波中清洗干净，放入烘箱中100～120℃烘干。

(2)活性组分溶液的配制

将硝酸铜和硝酸钴按照摩尔比为1～4∶4～1溶于蒸馏水中配成溶液；

(3)活性组分的浸渍和焙烧

将步骤(1)中处理后的载体浸渍在步骤(2)中的溶液中，浸渍10～14个小时，然后取出，将浸渍过的载体放入烘箱中60～100℃烘干，烘干后放入马弗炉中400～600℃焙烧2～5个小时，催化剂则制备完成；对催化剂进行重复浸渍，烘干，焙烧，重复上述操作1～3次，以达到催化剂需要的负载量。

本发明有益效果，与已有技术相比，本发明具有的实质特点是：

(1)本发明的制备工艺比较简单，操作方便，便于放大生产。

(2)本发明催化活性高，在250℃时，对甲苯的转化率达到96.2％，与同种催化剂相比较T96降低了约40℃。

(3)本发明的载体选用低成本的氧化镁、氧化硅、氧化铝合成了结晶性较好、热膨胀系数较小的蜂窝陶瓷。

附图说明

以下将结合附图对本发明作出进一步的说明：

图1是实施例1的催化剂催化甲苯活性图。

由图1可以看出，该催化剂在300℃对甲苯的催化效率达到90％以上，350℃催化效率达到96％，并在350℃～450℃范围内催化剂性能保持稳定，说明该催化剂具有极高的催化活性，适合工业有机废气的处理。

图2是实施例4的催化剂催化甲苯活性图。

由图2可以看出，该催化剂在250℃对甲苯的催化效率达到96％以上，并在250℃～450℃范围内催化剂性能保持稳定，说明该催化剂具有极高的催化活性，适合工业有机废气的处理。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作出进一步的说明，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1

(1)自制载体的制备和处理

将氧化镁、氧化硅、氧化铝、氧化钛按一定比例混合，其中氧化镁的质量为10g，氧化硅的质量为45g，氧化铝的质量数为40g，氧化钛5g，经1360℃高温焙烧2个小时，然后将载体在烘箱为60℃的条件下放入质量分数为5％的草酸溶液中进行酸处理，处理6个小时，然后在超声的条件下对载体用蒸馏水清洗，最后烘干。

(2)活性组分溶液的配制

取34.6gCu(NO₃)₂.3H₂O固体，和42gCo(NO₃)₂.6H₂O固体，溶于200g蒸馏水中，配成Cu²⁺和Co²⁺物质的量之比1∶1的溶液。

(3)活性组分的浸渍和焙烧

将步骤(1)中处理后的载体浸渍在步骤(2)中的溶液中，浸渍10个小时，然后过滤，载体放入烘箱中60℃干燥，烘干后放入马弗炉中600℃焙烧2个小时，催化剂则制备完成，活性组分负载的质量为载体的5.4％。

实施例2

(1)自制载体的制备和处理

将氧化镁、氧化硅、氧化铝、氧化钛按一定比例混合，其中氧化镁的质量为10g，氧化硅的质量为60g，氧化铝的质量数为25g，氧化钛的质量为5g，经1400℃高温焙烧6个小时，然后将载体在烘箱为100℃的条件下放入质量分数为20％的草酸溶液中进行酸处理，处理10个小时，然后在超声的条件下对载体用蒸馏水清洗，最后110℃烘干。

(2)活性组分溶液的配制

取14.46gCu(NO₃)₂.3H₂O固体，和69.8gCo(NO₃)₂.6H₂O固体，溶于200g蒸馏水中，配成Cu²⁺和Co²⁺物质的量之比1∶4的溶液。

(3)活性组分的浸渍和焙烧

将步骤(1)中处理后的载体浸渍在步骤(2)中的溶液中，浸渍14个小时，然后过滤，载体放入烘箱中100℃干燥，烘干后放入马弗炉中400℃焙烧5个小时，催化剂则制备完成，活性物质负载的质量百分数为4％。

实施例3

(1)自制载体的制备和处理

将氧化镁、氧化硅、氧化铝、氧化钛按一定比例混合，其中氧化镁的质量为20g，氧化硅的质量为45g，氧化铝的质量数为20g，氧化钛的质量为15g，经1390℃高温焙烧4个小时，然后将载体在烘箱为80℃的条件下放入质量分数为10％的草酸溶液中进行酸处理，处理10个小时，然后在超声的条件下对载体用蒸馏水清洗，最后100℃烘干。

(2)活性组分溶液的配制

取53.4gCu(NO₃)₂.3H₂O固体，和16gCo(NO₃)₂.6H₂O固体，溶于200g蒸馏水中，配成Cu²⁺和Co²⁺物质的量之比4∶1的溶液。

(3)活性组分的浸渍和焙烧

将步骤(1)中处理后的载体浸渍在步骤(2)中的溶液中，浸渍12个小时，然后过滤，载体放入烘箱中80℃干燥，烘干后放入马弗炉中500℃焙烧5个小时，催化剂则制备完成，活性物质负载的质量百分数为6.4％。

实施例4

(1)自制载体的制备和处理

将氧化镁、氧化硅、氧化铝、氧化钛按一定比例混合，其中氧化镁的质量为10g，氧化硅的质量为50g，氧化铝的质量数为30g，氧化钛的质量为10g，经1390℃高温焙烧4个小时，然后将载体在烘箱为80℃的条件下放入质量分数为10％的草酸溶液中进行酸处理，处理10个小时，然后在超声的条件下对载体用蒸馏水清洗，最后120℃烘干。

(2)活性组分溶液的配制

取23.8gCu(NO₃)₂.3H₂O固体，和57.4gCo(NO₃)₂.6H₂O固体，溶于200g蒸馏水中，配成Cu²⁺和Co²⁺物质的量之比1∶2的溶液。

(3)活性组分的浸渍和焙烧

将步骤(1)中处理后的载体浸渍在步骤(2)中的溶液中，浸渍12个小时，然后过滤，载体放入烘箱中80℃干燥，烘干后放入马弗炉中600℃焙烧5个小时，催化剂则制备完成，活性物质负载的质量百分数为5.2％。

实施例5

(1)自制载体的制备和处理

将氧化镁、氧化硅、氧化铝、氧化钛按一定比例混合，其中氧化镁的质量为20g，氧化硅的质量为30g，氧化铝的质量数为40g，氧化钛的质量为10g，经1390℃高温焙烧6个小时，然后将载体在烘箱为80℃的条件下放入质量分数为15％的草酸溶液中进行酸处理，处理10个小时，然后在超声的条件下对载体用蒸馏水清洗，最后110℃烘干。

(2)活性组分溶液的配制

取52.7gCu(NO₃)₂.3H₂O固体，和124gCo(NO₃)₂.6H₂O固体，溶于200g蒸馏水中，配成Gu²⁺和Co²⁺物质的量之比1∶2的溶液。

(3)活性组分的浸渍和焙烧

将步骤(1)中处理后的载体浸渍在步骤(2)中的溶液中，浸渍12个小时，然后过滤，载体放入烘箱中80℃干燥，烘干后放入马弗炉中600℃焙烧5个小时，催化剂则制备完成，活性物质负载的质量百分数为10.2％。

实施例6

(1)自制载体的制备和处理

将氧化镁、氧化硅、氧化铝、氧化钛按一定比例混合，其中氧化镁的质量为15g，氧化硅的质量为60g，氧化铝的质量数为25g，氧化钛的质量为10g，经1390℃高温焙烧6个小时，然后将载体在烘箱为80℃的条件下放入质量分数为10％的草酸溶液中进行酸处理，处理10个小时，然后在超声的条件下对载体用蒸馏水清洗，最后120℃烘干。

(2)活性组分溶液的配制

取52.7gCu(NO₃)₂.3H₂O固体，和124gCo(NO₃)₂.6H₂O固体，溶于200g蒸馏水中，配成Cu²⁺和Co²⁺物质的量之比1∶2的溶液。

(3)活性组分的浸渍和焙烧

将步骤(1)中处理后的载体浸渍在步骤(2)中的溶液中，浸渍12个小时，然后过滤，载体放入烘箱中80℃干燥，烘干后放入马弗炉中600℃焙烧5个小时，催化剂则制备完成，负载率为10.2％。再按照步骤2配制溶液，再用溶液浸渍得到的催化剂，进行活性组分的浸渍和焙烧，最后得到两次负载的催化剂，活性物质负载的质量百分数为25％

甲苯的活性测试

将本实施例1-6中催化剂装填于固定床反应装置中，以甲苯的催化燃烧作为探针反应，进行有机废气的催化燃烧性能评价。催化剂是放入内径为7mm的石英管中进行测试的，装填催化剂的体积为7.5ml，甲苯的浓度为6000ppm，空速为12000h-1.结果见表1.

表1催化燃烧催化剂的甲苯催化活性

Claims (6)

1.一种催化燃烧工业有机废气催化剂，其特征在于所述催化剂是由自制催化剂载体和负载其上的活性组分构成，其中活性组分是由铜钴复合金属氧化物组成。

2.根据权利要求1所述的一种催化燃烧工业有机废气催化剂，其特征在于所述的铜钴复合金属氧化物中氧化铜∶氧化钴的摩尔比为1～4∶4～1.

3.根据权利要求1所述的一种催化燃烧工业有机废气催化剂，其特征在于所述的铜钴复合金属氧化物催化剂活性组分负载的质量为载体的5～25％。

4.根据权利要求1所述的一种催化燃烧工业有机废气催化剂，其特征在于所述的自制催化剂载体是一种以氧化镁，氧化硅，氧化铝、氧化钛为主要原料，经高温1360～1400℃焙烧而成，并经过酸处理的蜂窝陶瓷载体，其中原料质量百分配比为氧化镁10～30％、氧化硅30～60％、氧化铝20～40％、氧化钛5～15％

5.根据权利要求4所述的一种催化燃烧工业有机废气催化剂，其特征在于所述的自制催化剂载体酸处理方式为先将载体放在质量百分数为1～20％草酸溶液中于烘箱60～100℃的条件下处理6～10个小时，最后再用蒸馏水在超声波中清洗干净。

6.权利要求1所述的一种催化燃烧工业有机废气催化剂的制备方法，其具体步骤为：

(1)自制载体的制备和处理

将氧化镁、氧化硅、氧化铝、氧化钛按配比混合，其中原料质量百分配比为氧化镁10～30％、氧化硅30～60％、氧化铝20～40％、氧化钛5～15％；

经1360～1400℃高温焙烧2～6个小时得到自制载体，将载体放在质量百分数为1～20％草酸溶液中于烘箱60～100℃的条件下处理6～10个小时，最后再用蒸馏水在超声波中清洗干净，放入烘箱中100～120℃烘干；

(2)活性组分溶液的配制

将硝酸铜和硝酸钴按照摩尔比为1～4∶4～1溶于蒸馏水中配成溶液；

(3)活性组分的浸渍和焙烧

将步骤(1)中处理后的载体浸渍在步骤(2)中的溶液中，浸渍10～14个小时，然后取出，将浸渍过的载体放入烘箱中60～100℃烘干，烘干后放入马弗炉中400～600℃焙烧2～5个小时，催化剂则制备完成；对催化剂进行重复浸渍，烘干，焙烧，重复上述操作1～3次，以达到催化剂需要的负载量。

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