CN109529860A - 一种X-Sn-Zr还原催化剂及其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种X‑Sn‑Zr还原催化剂及其制备方法和用途,该催化剂的结构为:XnOm‑SnO2‑ZrO2;其中,X包含:Cu及其同族金属,或Fe;其中,n:m=1:1,或2:3;该催化剂用于将SO2还原为单质硫,该催化剂中XnOm的质量占催化剂总质量的5%~20%。本发明的催化剂能够通过N2、CO和SO2的混合气体预硫化后在300~500℃对含有氧气和二氧化硫的混合气体进行催化脱硫,其脱硫效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种三元金属氧化物,具体涉及一种X-Sn-Zr还原催化剂及其制备方法和用途。
背景技术
随着世界各国工业化进程的不断加深,SO2污染已超过烟尘污染成为大气环境的第一大污染物。烟气脱硫(Flue gas desulfurization,FGD)有别于其他脱硫方式,是世界上唯一大规模商业化应用的脱硫方法,是控制酸雨和SO2污染的最为有效的和主要的技术手段。
世界各国对烟气脱硫都非常重视,已开发了数十种行之有效的脱硫技术,其中广泛采用的烟气脱硫技术有:
(1)石灰/石灰石-湿法,具有适用煤种宽、原料廉价易得、脱硫率高等诸多优点,占据最大的市场份额,但是投资和运行费用大,运行维护量大,且容易产生白烟,造成二次污染;
(2)旋转喷雾半干法(LSD),投资和运行费用也略低于湿法,产物为亚硫酸钙(CaSO3),但脱硫率较湿法低;
(3)炉内喷钙增湿活化法(LIFAC),脱硫率可达70%-80%,工程造价较低,但是产物为亚硫酸钙(CaSO3),易造成炉内结渣;
(4)海水烟气脱硫法,工艺简单,***运行可靠,脱硫率高运行费用低,脱硫***需要设置在海边且海水温度较低,溶解氧(OC)较高;
(5)氨法烟气脱硫,通常以合成氨为原料,产物为硫氨等,需要邻近合成氨工厂及化肥厂;
(6)简易湿式脱硫除尘一体化技术,脱硫率低,造价较低原料为工业废碱及烧碱,需要临近有废碱液排放的工厂,中和后,废水需排入污水厂进行处理。
脱硫催化剂表面具有活性,可以加速脱硫,目前常用的有:氧化锰(MnO)、氧化锌(ZnO)、氧化铁(Fe3O4)等。金属氧化物脱硫是一种干法脱硫方法,没有污水和废酸,不会造成污染,但目前的金属氧化物脱硫效率过低,难以推广。
发明内容
本发明的目的是提供一种X-Sn-Zr还原催化剂及其制备方法和用途,该催化剂解决了现有传统湿法脱硫易造成二次污染的问题,能够实现催化脱硫,不会产生污水,且脱硫效率高。
为了达到上述目的,本发明提供了一种X-Sn-Zr还原催化剂,该催化剂的结构为:XnOm-SnO2-ZrO2;其中,X包含:Cu及其同族金属,或Fe;其中,n:m=1:1,或2:3;该催化剂用于将SO2还原为单质硫,该催化剂中XnOm的质量占催化剂总质量的5%~20%。
优选地,该催化剂的X射线衍射图在2θ=26、33、37、51、53、62、65处有衍射峰。
优选地,该X-Sn-Zr还原催化剂通过将原料SnCl4、ZrO(NO3)2和Xa(NO3)b的水溶液在中性条件下获得;其中,a:b=1:2,或1:3。
优选地,所述SnCl4和ZrO(NO3)2的质量比为3:1。
优选地,所述水溶液通过氨水调节至中性。
本发明还提供了一种所述的X-Sn-Zr还原催化剂的制备方法,该方法包含:
(1)称取原料:称取SnCl4、ZrO(NO3)2和Xa(NO3)b,将原料溶于水中;
(2)调节原料水溶液为中性,在不同老化温度下搅拌,抽滤,烘干,焙烧,压片以制得不同目数的催化剂。
优选地,在步骤(1)中,所述的SnCl4和ZrO(NO3)2的质量比为3:1。
优选地,在步骤(2)中,采用氨水调节水溶液的pH值为7,所述的老化温度为20℃~80℃。
优选地,在步骤(2)中,所述反应溶液采用膜密封,并在膜上设若干孔,在不同老化温度下搅拌。
本发明还提供了一种所述的X-Sn-Zr还原催化剂的用途,该X-Sn-Zr还原催化剂用于催化脱硫,通过N2、CO和SO2的混合气体预硫化后在300~500℃对含有氧气和二氧化硫的混合气体进行催化脱硫。
本发明的X-Sn-Zr还原催化剂及其制备方法和用途,解决了现有传统湿法脱硫易造成二次污染的问题,具有以下优点:
本发明的X-Sn-Zr还原催化剂能够在300~500℃下进行催化脱硫,其脱硫效率高;本发明的X-Sn-Zr还原催化剂能够在含氧条件下进行催化还原,将SO2还原为单质硫;
本发明采用混合气体预硫化,以调控两种机理所占总反应的地位。已知的实验结论证实,在无氧环境中,氧化还原机理占优势,因此无需对催化剂进行预硫化。而本发明涉及的是含氧条件下的催化还原,此情况下氧化还原机理由于氧空位被烟气中O2占据而受到抑制,因此通过混合气体预硫化调控以强化COS中间体机理在催化过程中的地位;
本发明的催化剂,X元素的负载量影响催化剂的结构,杂原子的添加改变的是催化剂导电性能,减少禁带宽度,使得外层电子更易从价带迁移到导带从而形成电子空穴,进而影响其催化性能,故而要控制XnOm元素质量分数在5%-20%之间;
本发明的催化剂采用等离子体照射可以使催化活性获得有效恢复,而变温和变压处理对催化活性的恢复没有太大作用。
附图说明
图1为本发明Cu-Sn-Zr还原催化剂的X射线衍射图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
一种X-Sn-Zr还原催化剂,如图1所示,为本发明Cu-Sn-Zr还原催化剂的X射线衍射图,表征结果在2θ=26、33、37、51、53、62、65处都有SnO2的衍射峰,该催化剂的结构为:XnOm-SnO2-ZrO2;其中,X包含:Cu及其同族金属,或Fe;其中,n:m=1:1,或2:3;该催化剂用于将SO2还原为单质硫,该催化剂中XnOm的质量占催化剂总质量的5%~20%。
该同族金属可以为Ag或Au,催化活性较好,但成本相对较高。当X为Cu及其同族金属时,该催化剂的结构为:XO-SnO2-ZrO2;当X为Fe时,该催化剂的结构为:Fe2O3-SnO2-ZrO2。
本发明的催化剂,催化剂重复使用5次,每次1小时后失去催化活性,实验证明变温和变压处理对催化活性的恢复没有太大作用,采用等离子体照射可以使催化活性获得有效恢复。
本发明的催化剂,X元素的负载量影响催化剂的结构。杂原子的添加改变的是催化剂导电性能,减少禁带宽度,使得外层电子更易从价带迁移到导带从而形成电子空穴,进而影响其催化性能,故而要控制XnOm元素质量分数在5%-20%之间。
进一步地,该X-Sn-Zr还原催化剂通过将原料SnCl4、ZrO(NO3)2和Xa(NO3)b的水溶液在中性条件下获得;其中,a:b=1:2,或1:3。
进一步地,SnCl4和ZrO(NO3)2的质量比为3:1。Xa(NO3)b的添加量根据XnOm的质量占催化剂总质量,以及SnCl4和ZrO(NO3)2的质量计算。
进一步地,水溶液通过氨水调节至中性。
一种上述X-Sn-Zr还原催化剂的制备方法,该方法包含:
(1)称取原料:称取SnCl4、ZrO(NO3)2和Xa(NO3)b,将原料溶于水中;
(2)调节原料水溶液为中性,在不同老化温度下搅拌,抽滤,烘干,焙烧,压片以制得不同目数的催化剂。
进一步地,在步骤(1)中,SnCl4和ZrO(NO3)2的质量比为3:1。
进一步地,在步骤(2)中,采用氨水调节水溶液的pH值为7,老化温度为20℃~80℃。老化温度可以为20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃,或80℃。
老化温度影响催化剂的晶体结构,进而影响其反应活性,20℃下制备的催化剂的催化效率为71%,40℃下制备的催化剂的催化效率为75%,60℃下制备的催化剂的催化效率为72%80℃下制备的催化剂的催化效率为69%,故最优老化温度应为40℃。
进一步地,在步骤(2)中,反应溶液采用膜密封,并在膜上设若干孔,在不同老化温度下搅拌。为了防止氨水挥发,从而改变共沉淀时的pH值,故而采用膜密封。
进一步地,在步骤(2)中,烘干温度为100~300℃。焙烧时从室温程序升温升到600℃,并在600℃保持4个小时,焙烧温度太低无法使金属元素氧化并形成孔道结构,太高则会造成催化剂烧结。
进一步地,在步骤(2)中,催化剂成品为30~50目。
一种上述X-Sn-Zr还原催化剂的用途,该X-Sn-Zr还原催化剂用于催化脱硫,通过N2、CO和SO2的混合气体预硫化后在300~500℃对含有氧气和二氧化硫的混合气体进行催化脱硫。例如,电解铝烟气脱硫。
进一步地,N2、CO和SO2的体积比为:100~500:0.1~1:0.05~0.5。
本发明的催化剂是利用CO来还原SO2的还原性催化剂,产物是S,催化还原所遵循的基本原理为氧化还原机理和COS中间体机理:
[氧化还原机理]
MO-catalysts+2CO→M[]-catalysts+2CO2
M[]-catalysts+SO2→MO-catalysts+1/n Sn
[]:氧空位
[COS中间体机理]
MO-catalysts+COS→MS-catalysts+CO2
MS-catalysts+CO→MSx-1-catalysts+COS
SO2+2COS→1/n Sn+2CO2。
本发明采用混合气体预硫化,以调控两种机理所占总反应的地位。已知的实验结论证实,在无氧环境中,氧化还原机理占优势,因此无需对催化剂进行预硫化。而本发明涉及的是含氧条件下的催化还原,此情况下氧化还原机理由于氧空位被O2(如电解铝烟气中的O2)占据而受到抑制,因此通过混合气体预硫化调控以强化COS中间体机理在催化过程中的地位。
实施例1
一种Cu负载量为5%的Cu-Sn-Zr还原催化剂,该催化剂的制备过程如下:
(1)称取原料:7.012g SnCl4、2.31gZrO(NO3)2、0.657gCu(NO3)2·3H2O,溶于100mL的蒸馏水中;
(2)用氨水调节该溶液pH值为7,再用保鲜袋封口,然后在保鲜袋上扎20个左右的孔,搅拌状态下在40℃温度下于通风橱内老化六个小时,抽滤,放于烘箱内在100~300℃温度下烘十二小时,再放入马弗炉焙烧,从室温程序升温升到600℃,并在600℃保持4个小时,将焙烧后的催化剂压片,得到30~50目的Cu负载量分别为5%的催化剂。
实施例2
Cu负载量分别为10%和20%的Cu-Sn-Zr还原催化剂,其制备过程与实施例1基本相同,只是添加的Cu(NO3)2·3H2O的量不同。
表1为本发明实施例1和实施例2制备的Cu-Sn-Zr催化剂的SO2转化率表
注:SO2转化率=1-出口SO2浓度/入口SO2浓度
实施例3
以SnCl4、ZrO(NO3)2、Fe(NO3)3·9H2O为原料,按照铁的负载量为5%,10%,20%分别制备,具体过程同Cu-Sn-Zr催化剂的制备过程。
表2为对比例1制备的Fe-Sn-Zr催化剂的SO2转化率表
注:SO2转化率=1-出口SO2浓度/入口SO2浓度
对比例1
(1)制备含CuO为10%的CuO-LaCoO3催化剂
制备步骤与实施例1的基本相同,具体如下:
称取7.485g La(NO3)3·6H2O、2.14g Co(NO3)2·6H2O、1.27g Cu(NO3)2·3H2O溶于100ml蒸馏水中;用氨水调节该溶液pH值为7,再用保鲜袋封口,然后在保鲜袋上扎20个左右的孔,搅拌状态下,在40℃温度下老化六个小时,得到40℃老化温度的催化剂,抽滤,放于烘箱内烘十二小时,再放入马弗炉焙烧四个小时,将焙烧后压片,得到含CuO为10%的CuO-LaCoO3催化剂。
(2)含CuO为10%的CuO-LaCoO3催化剂的SO2转化率
表3为对比例1的Cu-LaCoO3催化剂的SO2转化率表
注:SO2转化率=1-出口SO2浓度/入口SO2浓度
对比例2制备含SnO2为10%的Sn-LaCoO3催化剂
含SnO2为10%的Sn-LaCoO3催化剂的制备方法与对比例的基本相同,只是添加的原料有所不同。
表4为对比例2的Sn-LaCoO3催化剂的SO2转化率表
注:SO2转化率=1-出口SO2浓度/入口SO2浓度
本发明实施例1和实施例2制备的Cu-Sn-Zr催化剂的活性较对比例1和对比例2的活性好,能够在含氧的条件下催化SO2脱硫。
综上所述,本发明的X-Sn-Zr还原催化剂具有还原作用,能够通过N2、CO和SO2的混合气体预硫化后在300~500℃进行催化脱硫,其脱硫效率高。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此,本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (9)
1.一种X-Sn-Zr还原催化剂,其特征在于,该催化剂的结构为:XnOm-SnO2-ZrO2;其中,X包含:Cu及其同族金属,或Fe;其中,n:m=1:1,或2:3;
该催化剂用于将SO2还原为单质硫,该催化剂中XnOm的质量占催化剂总质量的5%~20%。
2.根据权利要求1所述的X-Sn-Zr还原催化剂,其特征在于,该催化剂的X射线衍射图在2θ=26、33、37、51、53、62、65处有衍射峰。
3.根据权利要求1所述的X-Sn-Zr还原催化剂,其特征在于,该X-Sn-Zr还原催化剂通过将原料SnCl4、ZrO(NO3)2和Xa(NO3)b的水溶液在中性条件下获得;其中,a:b=1:2,或1:3。
4.根据权利要求3所述的X-Sn-Zr还原催化剂,其特征在于,所述水溶液通过氨水调节至中性。
5.一种如权利要求1-4中任意一项所述的X-Sn-Zr还原催化剂的制备方法,其特征在于,该方法包含:
(1)称取原料:称取SnCl4、ZrO(NO3)2和Xa(NO3)b,将原料溶于水中;
(2)调节原料水溶液为中性,在不同老化温度下搅拌,抽滤,烘干,焙烧,压片以制得不同目数的催化剂。
6.根据权利要求5所述的X-Sn-Zr还原催化剂的制备方法,其特征在于,在步骤(1)中,所述的SnCl4和ZrO(NO3)2的质量比为3:1。
7.根据权利要求5所述的X-Sn-Zr还原催化剂的制备方法,其特征在于,在步骤(2)中,采用氨水调节水溶液的pH值为7,所述的老化温度为20℃~80℃。
8.根据权利要求5所述的X-Sn-Zr还原催化剂的制备方法,其特征在于,在步骤(2)中,所述反应溶液采用膜密封,并在膜上设若干孔,在不同老化温度下搅拌。
9.一种如权利要求1-4中任意一项所述的X-Sn-Zr还原催化剂的用途,其特征在于,该X-Sn-Zr还原催化剂用于催化脱硫,通过N2、CO和SO2的混合气体预硫化后在300~500℃对含有氧气和二氧化硫的混合气体进行催化脱硫。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190329 |
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