CN110026204B - 一种环境友好型协同脱除二噁英和氮氧化物的催化剂 - Google Patents

一种环境友好型协同脱除二噁英和氮氧化物的催化剂 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种环境友好型协同脱除二噁英和氮氧化物的催化剂，由载体、活性成分和催化助剂组成；所述载体为Mg2AlO5‑Al2O3‑SiO2复合功能陶瓷MAS，活性成分为Mo‑Sn‑Nb‑Ox复合金属氧化物，催化助剂为Ni‑Ce‑W‑Co‑Ox复合金属氧化物。本发明提供的催化剂成分环境友好，使用不会造成二次污染，且制备工艺简单，可实现协同脱除二噁英与NOx，在150‑350℃范围内协同脱除二噁英与NOx的效率达90％以上，可省去SCR设备所占的空间和资金投入，有效降低企业处理烟气的成本，可广泛应用于工业，前景广阔。

Description

一种环境友好型协同脱除二噁英和氮氧化物的催化剂
技术领域
本发明属于环保催化材料和大气污染治理技术领域，涉及协同脱除二噁英和氮氧化物的催化剂，具体涉及一种环境友好型协同脱除二噁英和氮氧化物的催化剂。
背景技术
目前，“垃圾围城”的现象日益严重。在城市垃圾的处置过程中，垃圾焚烧技术在实现 废弃物的减量化、无害化和资源化方面具有优势，因而得到了广泛的应用。然而，焚烧过程 中产生的大量二次污染，包括二噁英、氮氧化物(NOx)、粉尘、SO2等，成为焚烧技术发展和应用的瓶颈。其中二噁英和NOx具有强烈的致癌性、致畸性、致突变性，是形成雾霾的主要祸首，引起了人们的广泛关注。
目前，工业治理NOx与二噁英国大多是独立运行的方式。NOx脱除主要采用选择性催化还原（SelectiveCatalyticReduction，SCR）脱硝技术（效率高、无二次污染，98%电厂采用）；而二噁英脱除则主要采用活性炭吸附法，该方法需要向烟气中不间断喷射活性炭粉末，运行成本高，且该方法为物理吸附法，不能从根本上去除二噁英，吸附二噁英后的活性炭还需要进行专门的处理。目前国外发达国家已开始使用催化氧化技术（关键技术为催化剂）来处理垃圾焚烧尾气中的二噁英，该技术能使二噁英分解为CO2、H2O，HCl等无机无毒产物，具有反应温度低，节省能源，可以处理低含量的有机污染物，去除效率高且分解效果稳定等特点。因而，对于垃圾焚烧尾气而言，研发可同时脱除二噁英和氮氧化物的催化剂，真正实现了一物二用，可省去SCR设备所占的空间和资金投入，降低企业处理烟气的成本，应用前景极为广阔。
目前，国内关于协同脱除二噁英和NOx的催化剂专利较少。很多方法如专利（CN208115510U）和专利（CN105032034B）采用物理吸附法，吸附二噁英后的活性炭还需要进行专门的处理，而有的企业为了降低成本，只是对吸附二噁英后的活性炭进行填埋，给地下水带来极大的安全隐患。其中，专利（CN108837830A）所述的催化剂包括载体、以及依次负载于所述载体上的脱二噁英里层和脱硝外层，虽然具有高效的选择性，但是不能较好的协同处理，且工艺复杂。专利（CN109225200A）公开的V-Ce-Ti催化剂与专利（CN106345454A）公开的Mo-V-W/TiO2-Al2O3体系，具有在低温下较高的脱除率，虽然V在低温下对二噁英有优异的分解效果，但是V本身的毒性不可忽视，容易造成二次污染。专利（CN108434981A）中的基于铈基催化剂的Ce-Mn-Fe，提高了对二噁英和氮氧化物的脱除效率，但反应所需温度较高，催化剂使用寿命较短。
发明内容
针对现有催化剂对环境会造成二次污染、使用寿命较短、制作工艺复杂等不足，本发明的目的之一是提供一种环境友好型协同脱除二噁英和氮氧化物的催化剂，目的之二是提供环境友好型协同脱除二噁英和氮氧化物的催化剂的制备方法。
本发明上述目的通过如下技术方案实现：
一种环境友好型协同脱除二噁英和氮氧化物的催化剂，由载体、活性成分和催化助剂组成；所述载体为Mg2AlO5-Al2O3-SiO2复合功能陶瓷MAS，活性成分为Mo-Sn-Nb-Ox复合金属氧化物，催化助剂为Ni-Ce-W-Co-Ox复合金属氧化物。
进一步地，以载体质量为基准，所述活性组分Mo-Sn-Nb-Ox负载的质量百分含量为5-20%，催化助剂Ni-Ce-W-Co-Ox负载的质量百分含量为1-5%。
进一步地，所述载体中Mg/Al/Si元素摩尔比为1：1：2，活性组分中Mo/Sn/Nb元素摩尔比为1：（0.1~1）：（0.1~1），催化助剂中Ni/Ce/W/Co元素摩尔比为1：（0.1~1）：（0.1~1）：（0.1~1）。
一种上述任一所述催化剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）载体的制备
称取适量的MgO2、拟薄水铝石和SiO2进行混合，搅拌球磨2-10h制成胚体；将胚体通过挤出成型机制备成直径1cm的球状颗粒，颗粒经100-200℃烘干，再经1000-1500℃焙烧5-10h，即可制得MAS复合功能陶瓷载体；
（2）前驱体溶液的配制
称取适量的可溶性钼盐、锡盐、铌盐、镍盐、铈盐、钨盐和钴盐，加入适量的酸与去离子水，然后在60-80℃下加热搅拌30-120min至完全溶解，得前驱体溶液；
（3）活性组分的负载
采用等量浸渍法，将步骤（1）中制得的载体浸渍到步骤（2）得到的前驱体溶液中，浸渍5-20min后，经自然风干后放入烘箱中于50-200℃烘干20-60min，最后放入马弗炉中于400-800℃焙烧1-3h，即可制得环境友好型协同脱除二噁英和氮氧化物的催化剂。
进一步地，步骤（1）中，根据载体中Mg/Al/Si元素摩尔比为1：1：2称取各原料；步骤（2）中，根据活性组分Mo-Sn-Nb-Ox中Mo/Sn/Nb元素摩尔比为1：（0.1~1）：（0.1~1）及催化助剂Ni-Ce-W-Co-Ox中Ni/Ce/W/Co元素摩尔比为1：（0.1~1）：（0.1~1）：（0.1~1）称取各原料。
进一步地，以载体质量为基准，所述活性组分负载的质量百分含量为5-20%，催化助剂负载的质量百分含量为1-5%。
进一步地，步骤（2）中所述酸为硝酸、醋酸或盐酸中的任一种，加入量为载体质量的1-5%。
进一步地，步骤（2）中所述去离子水的量为载体质量的30-40%。
进一步地，步骤（2）中所述钼盐为钼酸铵、硝酸钼或硫酸钼中的任一种；锡盐为草酸锡；铌盐为草酸铌；镍盐为硝酸镍、醋酸镍或硫酸镍中的任一种；铈盐为硝酸铈或硫酸铈中的任一种；钨盐为钨酸铵或偏钨酸铵中的任一种；钴盐为硝酸钴或醋酸钴中的任一种。
有益效果：
本发明提供的催化剂成分环境友好，使用不会造成二次污染，且制备工艺简单，可实现协同脱除二噁英与NOx，在150-350℃范围内协同脱除二噁英与NOx的效率达90％以上，可省去SCR设备所占的空间和资金投入，有效降低企业处理烟气的成本，可广泛应用于工业，前景广阔。
具体实施方式
下面结合实施例具体介绍本发明实质性内容，但并不以此限定本发明的保护范围。
实施例1：
（1）载体的制备
以制备100g载体计算。按照Mg/Al/Si元素摩尔比为1：1：2，取适量的MgO2、拟薄水铝石和SiO2进行混合，搅拌球磨2h制成胚体。将胚体通过挤出成型机制备成直径1cm的球状颗粒，颗粒经100℃烘干，再经1000℃焙烧10h，即可制得MAS复合功能陶瓷。
（2）前驱体溶液的配制
以活性组分负载量5%、活性催化助剂负载量1%计，按Mo/Sn/Nb元素摩尔比为1：0.1：0.1，Ni/Ce/W/Co元素摩尔比为1：0.1：0.1：0.1，称取适量的钼酸铵、草酸锡、草酸铌、硝酸镍、硝酸铈、钨酸铵和醋酸钴，加入载体质量1wt%的醋酸与载体质量30wt%的去离子水，然后在60℃条件下加热搅拌30min之完全溶解，得前驱体溶液。
（3）活性组分的负载
采用等量浸渍法，将步骤（1）中制得的载体浸渍到步骤（2）得到的前驱体溶液中，浸渍5min后，经自然风干后放入烘箱中于50℃烘干20min，最后放入马弗炉中于400℃焙烧3h，即可制得环境友好型协同脱除二噁英和氮氧化物的催化剂。
实施例2：
（1）载体的制备
以制备100g载体计算。按照Mg/Al/Si元素摩尔比为1：1：2，取适量的MgO2、拟薄水铝石和SiO2进行混合，搅拌球磨5h制成胚体。将胚体通过挤出成型机制备成直径1cm的球状颗粒，颗粒经130℃烘干，再经1100℃焙烧8h，即可制得MAS复合功能陶瓷。
（2）前驱体溶液的配制
以活性组分负载量5%、活性催化助剂负载量1%计，按Mo/Sn/Nb元素摩尔比为1：0.1：0.1，Ni/Ce/W/Co元素摩尔比为1：0.1：0.1：0.1，称取适量的硝酸钼、草酸锡、草酸铌、醋酸镍、硫酸铈、钨酸铵和醋酸钴，加入载体质量1wt%的硝酸与载体质量30wt%的去离子水，然后在60℃条件下加热搅拌30min至完全溶解，得前驱体溶液。
（3）活性组分的负载
采用等量浸渍法，将步骤（1）中制得的载体浸渍到步骤（2）得到的前驱体溶液中，浸渍5min后，经自然风干后放入烘箱中于50℃烘干20min，最后放入马弗炉中于400℃焙烧1h，即可制得环境友好型协同脱除二噁英和氮氧化物的催化剂。
实施例3：
（1）载体的制备
以制备100g载体计算。按照Mg/Al/Si元素摩尔比为1：1：2，取适量的MgO2、拟薄水铝石和SiO2进行混合，搅拌球磨8h制成胚体。将胚体通过挤出成型机制备成直径1cm的球状颗粒，颗粒经150℃烘干，再经1200℃焙烧6h，即可制得MAS复合功能陶瓷。
（2）前驱体溶液的配制
以活性组分负载量10%、活性催化助剂负载量1.5%计，按Mo/Sn/Nb元素摩尔比为1：0.25：0.25，Ni/Ce/W/Co元素摩尔比为1：0.5：0.5：0.5，称取适量的硝酸钼、草酸锡、草酸铌、硝酸镍、硝酸铈、偏钨酸铵和硝酸钴，加入载体质量3wt%的硝酸与载体质量35wt%的去离子水，然后在70℃条件下加热搅拌60min至完全溶解，得前驱体溶液。
（3）活性组分的负载
采用等量浸渍法，将步骤（1）中制得的载体浸渍到步骤（2）得到的前驱体溶液中，浸渍10min后，经自然风干后放入烘箱中于80℃烘干40min，最后放入马弗炉中于600℃焙烧2h，即可制得环境友好型协同脱除二噁英和氮氧化物的催化剂。
实施例4：
（1）载体的制备
以制备100g载体计算。按照Mg/Al/Si元素摩尔比为1：1：2，取适量的MgO2、拟薄水铝石和SiO2进行混合，搅拌球磨10h制成胚体。将胚体通过挤出成型机制备成直径1cm的球状颗粒，颗粒经200℃烘干，再经1500℃焙烧5h，即可制得MAS复合功能陶瓷。
（2）前驱体溶液的配制
以活性组分负量5%、活性催化助剂负载量1%计，按Mo/Sn/Nb元素摩尔比为1：1：1，Ni/Ce/W/Co元素摩尔比为1：1：1：1，称取适量的钼酸铵、草酸锡、草酸铌、硫酸镍、硝酸铈、偏钨酸铵和醋酸钴，加入载体质量5wt%的盐酸与载体质量40wt%的去离子水，然后在80℃条件下加热搅拌120min至完全溶解，得前驱体溶液。
（3）活性组分的负载
采用等量浸渍法，将步骤（1）中制得的载体浸渍到步骤（2）得到的前驱体溶液中，浸渍20min后，经自然风干后放入烘箱中于200℃烘干60min，最后放入马弗炉中于800℃焙烧3h，即可制得环境友好型协同脱除二噁英和氮氧化物的催化剂。
实施例5：催化剂活性评价
二噁英与NOx脱除效率测试方法如下：
实验装置由配气***、流量控制（质量流量计）、气体混合器、气体预热器、催化反应器和烟气分析***构成。催化反应器为内径为10mm的石英管，然后将反应器放入固定管式反应器。模拟烟道气由NOx（600ppm）、NH3（600ppm）、O2（8%）、二噁英（3.2ngI-TEQNm-3）以及载气N2组成，空速20000h-1，NH3/NO=1，反应温度控制在250℃，各气体流量由质量流量计控制，气体进入反应器之前先通过气体混合器混合再经过加热器加热。进气口与出气口的NOx浓度由KM9106（Kane）烟气分析仪测定，二噁英浓度由高分辨色谱与高分辨质谱测定。为了消除表面吸附的影响，***在通气运行稳定20~30min开始采集测试。
催化剂的NOx由下式计算：
NOx脱除率=[(C0-C)/C0]×100%
式中，C0为NOx初始浓度，C为处理后气体中NOx浓度。
催化剂的二噁英由下式计算：
二噁英脱除率=[(X0-X)/X0]×100%
式中，X0为二噁英初始浓度，X为处理后气体中二噁英浓度。
将实施例1-4制备的催化剂按照上述测试方法进行测试，结果见表1。由表1可知，
表1
Figure 985974DEST_PATH_IMAGE002
本发明提供的催化剂成分环境友好，使用不会造成二次污染，且制备工艺简单，可实现协同脱除二噁英与NOx，在150-350℃范围内协同脱除二噁英与NOx的效率达90％以上，可省去SCR设备所占的空间和资金投入，有效降低企业处理烟气的成本，可广泛应用于工业，前景广阔。
上述实施例的作用在于具体介绍本发明的实质性内容，但本领域技术人员应当知道，不应将本发明的保护范围局限于该具体实施例。

Claims (5)

1.一种环境友好型协同脱除二噁英和氮氧化物的催化剂，其特征在于：由载体、活性成分和催化助剂组成；所述载体为Mg2AlO5-Al2O3-SiO2复合功能陶瓷MAS，活性成分为Mo-Sn-Nb-Ox复合金属氧化物，催化助剂为Ni-Ce-W-Co-Ox复合金属氧化物；以载体质量为基准，所述活性组分Mo-Sn-Nb-Ox负载的质量百分含量为5-20%，催化助剂Ni-Ce-W-Co-Ox负载的质量百分含量为1-5%；所述载体中Mg/Al/Si元素摩尔比为1：1：2，活性组分中Mo/Sn/Nb元素摩尔比为1：(0.1~1)：(0.1~1)，催化助剂中Ni/Ce/W/Co元素摩尔比为1：(0.1~1)：(0.1~1)：(0.1~1)。
2.一种如权利要求1所述催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）载体的制备
称取适量的MgO2、拟薄水铝石和SiO2进行混合，搅拌球磨2-10h制成胚体；将胚体通过挤出成型机制备成直径1cm的球状颗粒，颗粒经100-200℃烘干，再经1000-1500℃焙烧5-10h，即可制得MAS复合功能陶瓷载体；
（2）前驱体溶液的配制
称取适量的可溶性钼盐、锡盐、铌盐、镍盐、铈盐、钨盐和钴盐，加入适量的酸与去离子水，然后在60-80℃下加热搅拌30-120min至完全溶解，得前驱体溶液；
（3）活性组分的负载
采用等量浸渍法，将步骤（1）中制得的载体浸渍到步骤（2）得到的前驱体溶液中，浸渍5-20min后，经自然风干后放入烘箱中于50-200℃烘干20-60min，最后放入马弗炉中于400-800℃焙烧1-3h，即可制得环境友好型协同脱除二噁英和氮氧化物的催化剂。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述酸为硝酸、醋酸或盐酸中的任一种，加入量为载体质量的1-5%。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述去离子水质量为载体质量的30-40%。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述钼盐为钼酸铵、硝酸钼或硫酸钼中的任一种；锡盐为草酸锡；铌盐为草酸铌；镍盐为硝酸镍、醋酸镍或硫酸镍中的任一种；铈盐为硝酸铈或硫酸铈中的任一种；钨盐为钨酸铵或偏钨酸铵中的任一种；钴盐为硝酸钴或醋酸钴中的任一种。
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