CN110026205B - 一种环境友好型协同脱除二噁英和单质汞的催化剂及其制备方法 - Google Patents

一种环境友好型协同脱除二噁英和单质汞的催化剂及其制备方法 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单质汞的催化剂及其制备方法，由载体、活性组分和催化助剂组成；所述载体为Mg2TiO5‑TiO2‑SiO2复合功能陶瓷MTS，活性组分为Sn‑Ti‑Nb‑Ox复合氧化物，催化助剂为Mn‑Ni‑Fe‑Cu‑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，可实现协同脱除垃圾焚烧尾气中的二噁英与Hg0，在150‑350℃范围内协同脱除二噁英与Hg0的效率达90％以上，可省去混合烟气处理所需的复杂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，应用前景广阔。

Description

一种环境友好型协同脱除二噁英和单质汞的催化剂及其制备 方法
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，涉及脱除二噁英和单质汞的催化剂，具体涉及一种环境友好型协同脱除二噁英和单质汞的催化剂及其制备方法。
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、重金属Hg等，成为焚烧技术发展和应用的瓶颈。其中二噁英具有强烈的致癌性、致畸性、致突变性；单质汞(Hg0)易挥发，且难溶入水，是大气环境中相对比较稳定的形态，在大气中的平均停留时间长达半年至两年，可以在大气中被长距离地输运而形成大范围污染，进入人体后会引起肝脏和肾脏损 害甚至衰竭等各种严重后果。因而，如何有效的控制焚烧过程中产生的二噁英与Hg0，一直 是环保领域研究的焦点。
传统的二噁英与Hg0脱除技术，只能对某种污染物进行单向的滤除，导致对混合烟气进行处理时，所需的设备结构复杂且增加成本。而协同脱除二噁英、单质汞的催化剂可以实现同时脱除二噁英与Hg0，降低企业处理烟气的成本，应用前景广阔。但是目前国内关于协同脱除二噁英及单质汞的催化剂专利较少，已报道的几类协同脱除二噁英及NOx的催化剂（专利CN107952449A、CN105148948A、CN106732544A），其活性组分均包含钒氧化物，使用过程中不可避免的会造成二次污染。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种环境友好型协同脱除二噁英和单质汞的催化剂及其制备方法。
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单质汞的催化剂，由载体、活性组分和催化助剂组成；所述载体为Mg2TiO5-TiO2-SiO2复合功能陶瓷MTS，活性组分为Sn-Ti-Nb-Ox复合氧化物，催化助剂为Mn-Ni-Fe-Cu-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%，即活性组分负载占载体的质量百分含量为5-20%，催化助剂负载占载体的质量百分含量为1-5%。
进一步地，所述载体中Ti/Mg/Si元素摩尔比为4：1：1；活性组分中Sn/Ti/Nb元素摩尔比为1：（0.1-1）：（0.1-1）；催化助剂中Mn/Ni/Fe/Cu元素摩尔比为1：（0.1-1）：（0-0.5）：（0-0.5）。
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
依次称取适量的钛酸四丁酯、MgO2和正硅酸乙酯进行混合，搅拌球磨3-8h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80-150℃烘干，再经1000-1500℃焙烧3-8h，即可制得MTS复合功能陶瓷；
（2）前驱体溶液的配制
依次称取适量的可溶性锡盐、钛盐、铌盐、锰盐、镍盐、铁盐和铜盐，将钛盐与无水乙醇混合得到A液；将冰醋酸、无水乙醇、去离子水及其他盐类混合得到B液；将B液加入均匀搅拌着的A液中，磁力搅拌10-30min，然后老化24-48h，即制得前驱体溶液；
（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10-20min后，经自然风干后放入烘箱中于50-100℃烘干20-60min，最后放入马弗炉于500-900℃焙烧1-3h，即可制得环境友好型协同脱除二噁英和单质汞的催化剂。
进一步地，步骤（1）中，根据载体中Ti/Mg/Si元素摩尔比为4：1：1称取各原料；步骤（2）中，根据活性组分Sn-Ti-Nb-Ox中Sn/Ti/Nb元素摩尔比为1：（0.1-1）：（0.1-1）及催化助剂Mn-Ni-Fe-Cu-Ox中Mn/Ni/Fe/Cu元素摩尔比为1：（0.1-1）：（0-0.5）：（0-0.5）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%，即活性组分负载占载体的质量百分含量为5-20%，催化助剂负载占载体的质量百分含量为1-5%。
进一步地，A液中钛盐与无水乙醇的质量比为1:1；B液中冰醋酸、无水乙醇质量均为A液中钛盐质量的0.5倍。
进一步地，所述B液中去离子水的质量为载体质量的30-40%。
进一步地，步骤（2）中所述可溶性锡盐为草酸锡；可溶性钛盐为硫酸氧钛、钛酸四丁酯或四氯化钛中的任一种；可溶性铌盐为草酸铌；可溶性锰盐为硫酸锰、高锰酸钾、氯化锰或硝酸锰中的任一种；可溶性镍盐为硝酸镍、醋酸镍或硫酸镍中的任一种；可溶性铁盐为硫酸铁、硝酸铁或氯化铁中的任一种；可溶性铜盐为硝酸铜、氯化铜或硫酸铜中的任一种。
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，可实现协同脱除垃圾焚烧尾气中的二噁英与Hg0，在150-350℃范围内协同脱除二噁英与Hg0的效率达90％以上，可省去混合烟气处理所需的复杂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，应用前景广阔。
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
按照Ti/Mg/Si元素摩尔比为4：1：1，取适量的钛酸四丁酯、MgO2和正硅酸乙酯进行混合，搅拌球磨3h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80℃烘干，再经1000℃焙烧3h，即可制得MTS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Sn/Ti/Nb元素摩尔比为1：0.5:0.25，Mn/Ni/Fe/Cu元素摩尔比为1：0.75：0.5：0.25，称取适量的草酸锡、硫酸氧钛、草酸铌、硫酸锰、硝酸镍、硫酸铁和硝酸铜。将硫酸氧钛与无水乙醇按照质量比1:1混合得到A液；将冰醋酸（硫酸氧钛与冰醋酸质量比为1:0.5）、无水乙醇（硫酸氧钛与无水乙醇质量比为1:0.5）、载体质量30wt%的去离子水及其他盐类混合得到B液；将B液加到均匀搅拌着的A液中，磁力搅拌10min，然后老化24h，即制得前驱体溶液。
（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单质汞的催化剂。
实施例2：
（1）载体的制备
按照Ti/Mg/Si元素摩尔比为4：1：1，取适量的钛酸四丁酯、MgO2和正硅酸乙酯进行混合，搅拌球磨6h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90℃烘干，再经1200℃焙烧5h，即可制得MTS复合功能陶瓷。
（2）前驱体溶液的配制
以活性组分负载量18%、活性催化助剂负载量3%计，按Sn/Ti/Nb元素摩尔比为1：0.1:0.1，Mn/Ni/Fe/Cu元素摩尔比为1：0.1：0.5：0.5，称取适量的草酸锡、钛酸四丁酯、草酸铌、高锰酸钾、醋酸镍、硝酸铁和氯化铜。将钛酸四丁酯与无水乙醇按照质量比1:1混合得到A液；将冰醋酸（钛酸四丁酯与冰醋酸质量比为1:0.5）、无水乙醇（钛酸四丁酯与无水乙醇质量比为1:0.5）、载体质量34wt%的去离子水及其他盐类混合得到B液；将B液加到均匀搅拌着的A液中，磁力搅拌10min，然后老化24h，即制得前驱体溶液。
（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单质汞的催化剂。
实施例3：
（1）载体的制备
按照Ti/Mg/Si元素摩尔比为4：1：1，取适量的钛酸四丁酯、MgO2和正硅酸乙酯进行混合，搅拌球磨7h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120℃烘干，再经1400℃焙烧7h，即可制得MTS复合功能陶瓷。
（2）前驱体溶液的配制
以活性组分负载量20%、活性催化助剂负载量5%计，按Sn/Ti/Nb元素摩尔比为1：0.4:0.4，Mn/Ni/Fe/Cu元素摩尔比为1：0.15：0.1：0.05，称取适量的草酸锡、四氯化钛、草酸铌、硝酸锰、硫酸镍、氯化铁和硫酸铜。将四氯化钛与无水乙醇按照质量比1:1混合得到A液；将冰醋酸（四氯化钛与冰醋酸质量比为1:0.5）、无水乙醇（四氯化钛与无水乙醇质量比为1:0.5）、载体质量40wt%的去离子水及其他盐类混合得到B液；将B液加到均匀搅拌着的A液中，磁力搅拌10min，然后老化24h，即制得前驱体溶液。
（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15min后，经自然风干后放入烘箱中于150℃烘干50min，最后放入马弗炉中于700℃焙烧4h，即可制得环境友好型协同脱除二噁英和单质汞的催化剂。
实施例4：
（1）载体的制备
按照Ti/Mg/Si元素摩尔比为4：1：1，取适量的钛酸四丁酯、MgO2和正硅酸乙酯进行混合，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1500℃焙烧8h，即可制得MTS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2%计，按Sn/Ti/Nb元素摩尔比为1：1：1，Mn/Ni/Fe/Cu元素摩尔比为1：1：1：1，称取适量的草酸锡、四氯化钛、草酸铌、氯化锰、硫酸镍、氯化铁和硫酸铜。将四氯化钛与无水乙醇按照质量比1:1混合得到A液；将冰醋酸（四氯化钛与冰醋酸质量比为1:0.5）、无水乙醇（四氯化钛与无水乙醇质量比为1:0.5）、载体质量30wt%的去离子水及其他盐类混合得到B液；将B液加到均匀搅拌着的A液中，磁力搅拌10min，然后老化24h，即制得前驱体溶液。
（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6h，即可制得环境友好型协同脱除二噁英和单质汞的催化剂。
实施例5：催化剂活性评价
二噁英与Hg0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O2（8%）、二噁英（3.2ngI-TEQNm-3）、Hg0以及载气N2组成，空速20000h-1，反应温度控制在250℃，各气体流量由质量流量计控制。Hg0由Hg蒸汽发生器生成，浓度控制为450μg/m3。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Hg0浓度冷原子吸收光谱法测定，进气口与出气口的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Hg0脱除效率由下式计算：
Hg0脱除率=[(C0-C)/C0]×100%
式中，C0为Hg0初始浓度，C为处理后气体中Hg0浓度。
催化剂的二噁英脱除效率由下式计算：
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，按照本发明方法制备的催化剂（即实施例2制备的催化剂）协同脱除二噁英与Hg0的效率达90％以上。
表1
Figure 104458DEST_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，可实现协同脱除垃圾焚烧尾气中的二噁英与Hg0，在150-350℃范围内协同脱除二噁英与Hg0的效率达90％以上，可省去混合烟气处理所需的复杂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，应用前景广阔。
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单质汞的催化剂，其特征在于：由载体、活性组分和催化助剂组成；所述载体为Mg2TiO5-TiO2-SiO2复合功能陶瓷MTS，活性组分为Sn-Ti-Nb-Ox复合氧化物，催化助剂为Mn-Ni-Fe-Cu-Ox复合金属氧化物；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%；所述载体中Ti/Mg/Si元素摩尔比为4：1：1；活性组分中Sn/Ti/Nb元素摩尔比为1：(0.1-1)：(0.1-1)；催化助剂中Mn/Ni/Fe/Cu元素摩尔比为1：(0.1-1)：(0-0.5)：(0-0.5)。
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
依次称取适量的钛酸四丁酯、MgO2和正硅酸乙酯进行混合，搅拌球磨3-8h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80-150℃烘干，再经1000-1500℃焙烧3-8h，即可制得MTS复合功能陶瓷；
（2）前驱体溶液的配制
依次称取适量的可溶性锡盐、钛盐、铌盐、锰盐、镍盐、铁盐和铜盐，将钛盐与无水乙醇混合得到A液；将冰醋酸、无水乙醇、去离子水及其他盐类混合得到B液；将B液加入均匀搅拌着的A液中，磁力搅拌10-30min，然后老化24-48h，即制得前驱体溶液；
（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10-20min后，经自然风干后放入烘箱中于50-100℃烘干20-60min，最后放入马弗炉于500-900℃焙烧1-3h，即可制得环境友好型协同脱除二噁英和单质汞的催化剂。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：A液中钛盐与无水乙醇的质量比为1:1；B液中冰醋酸、无水乙醇质量均为A液中钛盐质量的0.5倍。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述B液中去离子水的质量为载体质量的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）中所述可溶性锡盐为草酸锡；可溶性钛盐为硫酸氧钛、钛酸四丁酯或四氯化钛中的任一种；可溶性铌盐为草酸铌；可溶性锰盐为硫酸锰、高锰酸钾、氯化锰或硝酸锰中的任一种；可溶性镍盐为硝酸镍、醋酸镍或硫酸镍中的任一种；可溶性铁盐为硫酸铁、硝酸铁或氯化铁中的任一种；可溶性铜盐为硝酸铜、氯化铜或硫酸铜中的任一种。
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