CN110841627B - 稀土修饰的吸附富集-催化氧化双功能催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种稀土修饰的吸附富集‑催化氧化双功能催化剂及其制备方法和应用，该催化剂主要包括载体和活性组分，活性组分负载在载体上，所述载体为稀土元素（Ce,Zr,La）修饰的活性炭；所述活性组分为氧化锰。其中，以元素摩尔量计，稀土元素的负载量为0.5%‑1%，锰的负载量为2%‑5%。该制备方法本发明制得的催化剂催化效率高，制备方法简单，生产和应用成本低。
Description
技术领域
本发明属于催化环保技术领域，具体涉及一种稀土修饰的吸附富集-催化氧化双功能催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
随之环境问题日益突出，室内环境问题引发了原来越多人的关注。甲醛是室内装修中最常见也是毒性最大的污染物之一。甲醛已经被世界卫生组织确定为致癌和致畸形物质，是公认的***反应源，也是潜在的强致突变物之一，引发多种疾病，具有强烈的致癌和促癌作用。据有关国际组织调查，全世界每年有近300万人直接或间接死于装修引起的甲醛污染。因此，室内空气中甲醛污染问题亟待解决。
由于甲醛具有高毒性且在空气中动态变化，其检测难度巨大，针对低浓度甲醛的去除的研究工作困难重重。目前针对甲醛的去除，主要是采用吸附的方法，尽管单一的吸附法对甲醛去除效果相对较好，但是容易因为吸附饱和引起失活，且易造成二次污染。催化氧化法能将甲醛转化成二氧化碳，但其对于低浓度污染去除效果不佳，且目前研究的催化剂主要是贵金属催化剂，催化剂成本高，应用效果差。针对目前甲醛净化材料存在的问题，本发明提供一种集吸附富集和催化氧化为一体的净化材料，原位生长活性组分，大大提高其对于甲醛的净化效果，且催化剂成本低廉。
发明内容
针对单一吸附技术处理甲醛易饱和且容易造成二次污染，单一催化氧化难以处理极低浓度甲醛等问题，本发明目的在于提供一种稀土修饰的吸附富集-催化氧化双功能催化剂。
本发明的再一目的在于：提供一种上述稀土修饰的吸附富集-催化氧化双功能催化剂产品的制备方法。
本发明的又一目的在于：提供一种上述产品的应用。
本发明目的通过下述方案实现：一种稀土修饰的吸附富集-催化氧化双功能催化剂，包括载体和活性组分，所述载体为稀土元素Ce、Zr和/或La修饰的活性炭，所述活性组分为氧化锰，其中，以元素摩尔量计，稀土元素的负载量为0.5%-1%，锰的负载量为2%-5%。
本发明还提供了一种稀土修饰的吸附富集-催化氧化双功能催化剂的制备方法，包括配置稀土元素浸渍液、将活性炭浸渍于所配制的浸渍液中，以制备稀土元素修饰的载体，向浸渍有稀土元素的活性炭载体中加入高锰酸钾溶液中，利用活性炭与高锰酸钾的氧化还原反应原位合成活性炭负载的氧化锰催化剂，再进一步采用氨水对所制备的催化剂表面进行修饰，包括以下步骤：
（1）将硝酸铈、硝酸锆或硝酸镧溶解于一定体积的水中，配制稀土元素前驱体溶液，其中稀土元素的摩尔浓度为0.01mol/L；
（2）取一定体积步骤（1）中配制的稀土元素前驱体溶液，将一定质量的活性炭浸渍于所取得稀土元素前驱体溶液中，静置过夜；
（3）配制一定体积0.1mol/L的高锰酸钾溶液，取一定体积的高锰酸钾溶液，分别加入步骤2中浸渍过不同稀土元素的载体中，搅拌4-6h得到沉淀；
（4）得到的沉淀过滤洗涤，40-60℃干燥，得到负载了活性组分锰的活性炭催化剂；
（5）测量步骤（4）中得到的氧化锰活性炭催化剂的吸水率，等体积浸渍10%的稀氨水，40-60℃干燥，得到氨修饰的活性炭负载氧化锰催化剂。
本发明也提供了一种稀土修饰的吸附富集-催化氧化双功能催化剂的应用，为用于甲醛净化，气体总流量为500ml/min，反应压力为常压1atm，甲醛的初始浓度为2ppm(V/V)，样品用量为2g。
此方法所制备的甲醛净化催化剂对于空气中甲醛的去除具有较好的效果，在室温下转化率能达到80%-100%，且本发明公开的制备方法简单、成本低廉、催化剂一次成型，具有很高的实用价值。
本发明相较于现有甲醛净化材料及其制备方法，具有以下特征：利用吸附和催化协同作用大大提高了低浓度甲醛污染物净化效率，常温下对甲醛的去除效率可达100%；所述催化剂利用表面和孔道结构中活性炭与高锰酸钾发生原位氧化还原反应，同时在表面和孔道结构中原位生成活性组分，大大提高活性组分分散度，并进一步通过从而提高催化活性。本发明制备方法得的催化剂催化效率高，制备方法简单，生产和应用成本低。
具体实施例
实施例1
一种稀土修饰的吸附富集-催化氧化双功能催化剂，包括载体和活性组分，所述载体为稀土元素Ce、Zr和/或La修饰的活性炭，所述活性组分为氧化锰，制备中包括配置稀土元素浸渍液、将活性炭浸渍于所配制的浸渍液中，以制备稀土元素修饰的载体，向浸渍有稀土元素的活性炭载体中加入高锰酸钾溶液中，利用活性炭与高锰酸钾的氧化还原反应原位合成活性炭负载的氧化锰催化剂，再进一步采用氨水对所制备的催化剂表面进行修饰，按下述方法制备：
（1）称取0.87g六水合硝酸铈溶解于200ml水中，配制浓度为0.01mol/L的硝酸铈溶液；
（2）称取20g活性炭，浸渍于71ml硝酸铈溶液中，静置过夜；
（3）配制0.1mol/L的高锰酸钾溶液，取73ml的该高锰酸钾溶液加入上述浸渍过不同稀土元素Ce的活性炭中，搅拌4h得到沉淀；
（4）得到的沉淀过滤洗涤，60℃干燥，得到负载了活性组分锰的活性炭催化剂；
（5）测量步骤（4）中得到的氧化锰活性炭催化剂的吸水率为1.2g水/g活性炭，等体积浸渍10%的稀氨水，60℃干燥，得到氨修饰的活性炭负载氧化锰催化剂，记作2Mn-Ac-0.5Ce。
实施例2
一种稀土修饰的吸附富集-催化氧化双功能催化剂，按下述方法制备：
（1）称取0.87g六水合硝酸镧溶解于200ml水中，配制浓度为0.01mol/L的硝酸镧；
（2）称取20g活性炭，浸渍于142ml硝酸镧溶液中，静置过夜；
（3）配制0.1mol/L的高锰酸钾溶液，取73ml的该高锰酸钾溶液，加入步骤（2）中浸渍过稀土元素的活性炭中，搅拌4，得到沉淀；
（4）得到的沉淀过滤洗涤，40℃干燥，得到负载了活性组分锰的活性炭催化剂；
（5）测量步骤（4）中得到的氧化锰活性炭催化剂的吸水率1.2g水/g活性炭，等体积浸渍10%的稀氨水，40℃干燥，得到氨修饰的活性炭负载氧化锰催化剂，记作2Mn-Ac-1La。
实施例3
一种稀土修饰的吸附富集-催化氧化双功能催化剂，按下述方法制备：
（1）称取0.87g六水合硝酸镧溶解于200ml水中，配制浓度为0.01mol/L的硝酸镧溶液；
（2）称取20g活性炭，浸渍于71ml硝酸镧溶液中，静置过夜；
（3）配制0.1mol/L的高锰酸钾溶液，取182ml0.1mol/L的高锰酸钾溶液，加入步骤（2）中浸渍过稀土元素的载体中，搅拌4h，得沉淀；
（4）得到的沉淀过滤洗涤，60℃干燥，得到负载了活性组分锰的活性炭催化剂；
（5）测量步骤（4）中得到的氧化锰活性炭催化剂的吸水率为1.2g水/g活性炭，等体积浸渍10%的稀氨水， 60℃干燥，得到氨修饰的活性炭负载氧化锰催化剂记作5Mn-Ac-0.5La。
实施例4
一种稀土修饰的吸附富集-催化氧化双功能催化剂的制备方法，具体为：
（1）称取0.86g六水合硝酸锆溶解于200ml水中，配制浓度为0.01mol/L的硝酸锆溶液；
（2）称取20g活性炭，浸渍于71ml硝酸锆溶液中，静置过夜；
（3）配制0.1mol/L的高锰酸钾溶液，取73ml0.1mol/L的高锰酸钾溶液，加入步骤（2）中浸渍过不同稀土元素的载体中，搅拌4h，得沉淀；
（4）得到的沉淀过滤洗涤，40℃干燥，得到负载了活性组分锰的活性炭催化剂；
（5）测量步骤（4）中得到的氧化锰活性炭催化剂的吸水率为1.2g水/g活性炭，等体积浸渍10%的稀氨水，40℃干燥，得到氨修饰的活性炭负载氧化锰催化剂，记作2Mn-Ac-0.5Zr。
实施例5
一种稀土修饰的吸附富集-催化氧化双功能催化剂的制备方法，具体为：
（1）称取0.86g六水合硝酸锆溶解于200ml水中，配制浓度为0.01mol/L的硝酸锆溶液；
（2）称取20g活性炭，浸渍于142ml硝酸锆溶液中，静置过夜；
（3）配制0.1mol/L的高锰酸钾溶液，取182ml0.1mol/L的高锰酸钾溶液加入步骤（2）中浸渍过不同稀土元素的载体中，搅拌4h，得沉淀；
（4）得到的沉淀过滤洗涤，40℃干燥，得到负载了活性组分锰的活性炭催化剂；
（5）测量步骤（4）中得到的氧化锰活性炭催化剂的吸水率为1.2g水/g活性炭，等体积浸渍10%的稀氨水，40℃干燥，得到氨修饰的活性炭负载氧化锰催化剂，记作5Mn-Ac-1Zr。
甲醛催化剂性能评价
在连续流动固定床装置中测试其性能。气体总流量为500ml/min，反应压力为常压1atm，甲醛的初始浓度为2ppm(V/V)，样品用量为2g。催化性能测试结果如下表1：
从表1的结果可以看出，此方法所制备的甲醛净化催化剂对于空气中甲醛的去除具有较好的效果，在室温下转化率能达到80%-100%，且本发明公开的制备方法简单、成本低廉、催化剂一次成型，具有很高的实用价值。
Claims (8)
1.一种Ce、Zr或La修饰的吸附富集-催化氧化双功能催化剂的制备方法，其特征在于，所述的催化剂包括载体和活性组分，所述载体为Ce、Zr或La元素修饰的活性炭，所述活性组分为氧化锰，其中，以元素摩尔量计，Ce、Zr或La元素的负载量为0.5%-1%，锰的负载量为2%-5%；
其制备方法包括配置Ce、Zr或La元素浸渍液、将活性炭浸渍于所配制的浸渍液中，以制备Ce、Zr或La元素修饰的载体，将所述载体加入高锰酸钾溶液中，利用活性炭与高锰酸钾的氧化还原反应原位合成活性炭负载的氧化锰催化剂，再进一步采用氨水对所制备的催化剂表面进行修饰，包括以下步骤：
（1）将硝酸铈、硝酸锆或硝酸镧溶解于水中，配制Ce、Zr或La元素前驱体溶液，其中Ce、Zr或La元素的摩尔浓度为0.01mol/L；
（2）取步骤（1）中配制的Ce、Zr或La元素前驱体溶液，将活性炭浸渍于所取得Ce、Zr或La元素前驱体溶液中，静置过夜；
（3）配制0.1mol/L的高锰酸钾溶液，取高锰酸钾溶液，分别加入步骤（2）中浸渍过不同Ce、Zr或La元素的载体，搅拌4-6h，得沉淀；
（4）得到的沉淀过滤洗涤，40-60℃干燥，得到负载了活性组分锰的活性炭催化剂；
（5）测量步骤（4）中得到的氧化锰活性炭催化剂的吸水率，等体积浸渍10%的稀氨水，40-60℃干燥，得到氨修饰的活性炭负载氧化锰催化剂。
2.一种根据权利要求1所述Ce、Zr或La修饰的吸附富集-催化氧化双功能催化剂的制备方法，其特征在于，按下述方法制备：
（1）称取0.87g六水合硝酸铈溶解于200ml水中，配制浓度为0.01mol/L的硝酸铈溶液；
（2）称取20g活性炭，浸渍于71ml硝酸铈溶液中，静置过夜；
（3）配制0.1mol/L的高锰酸钾溶液，取73ml的该高锰酸钾溶液加入步骤（2）中浸渍过不同稀土元素Ce的活性炭，搅拌4h得到沉淀；
（4）得到的沉淀过滤洗涤，60℃干燥，得到负载了活性组分锰的活性炭催化剂；
（5）测量步骤（4）中得到的氧化锰活性炭催化剂的吸水率为1.2g水/g活性炭，等体积浸渍10%的稀氨水，60℃干燥，得到氨修饰的活性炭负载氧化锰催化剂，记作2Mn-Ac-0.5Ce。
3.一种根据权利要求1所述Ce、Zr或La修饰的吸附富集-催化氧化双功能催化剂的制备方法，其特征在于，按下述方法制备：
（1）称取0.87g六水合硝酸镧溶解于200ml水中，配制浓度为0.01mol/L的硝酸镧；
（2）称取20g活性炭，浸渍于142ml硝酸镧溶液中，静置过夜；
（3）配制0.1mol/L的高锰酸钾溶液，取73ml的该高锰酸钾溶液，加入步骤（2）中浸渍过稀土元素的活性炭，搅拌4 h，得到沉淀；
（4）得到的沉淀过滤洗涤，40℃干燥，得到负载了活性组分锰的活性炭催化剂；
（5）测量步骤（4）中得到的氧化锰活性炭催化剂的吸水率1.2g水/g活性炭，等体积浸渍10%的稀氨水，40℃干燥，得到氨修饰的活性炭负载氧化锰催化剂，记作2Mn-Ac-1La。
4.一种根据权利要求1所述Ce、Zr或La修饰的吸附富集-催化氧化双功能催化剂的制备方法，其特征在于，按下述方法制备：
（1）称取0.87g六水合硝酸镧溶解于200ml水中，配制浓度为0.01mol/L的硝酸镧溶液；
（2）称取20g活性炭，浸渍于71ml硝酸镧溶液中，静置过夜；
（3）配制0.1mol/L的高锰酸钾溶液，取182ml0.1mol/L的高锰酸钾溶液，加入步骤（2）中浸渍过稀土元素的载体，搅拌4h，得沉淀；
（4）得到的沉淀过滤洗涤，60℃干燥，得到负载了活性组分锰的活性炭催化剂；
（5）测量步骤（4）中得到的氧化锰活性炭催化剂的吸水率为1.2g水/g活性炭，等体积浸渍10%的稀氨水， 60℃干燥，得到氨修饰的活性炭负载氧化锰催化剂记作5Mn-Ac-0.5La。
5.一种根据权利要求1所述Ce、Zr或La修饰的吸附富集-催化氧化双功能催化剂的制备方法，其特征在于，按下述方法制备：
（1）称取0.86g六水合硝酸锆溶解于200ml水中，配制浓度为0.01mol/L的硝酸锆溶液；
（2）称取20g活性炭，浸渍于71ml硝酸锆溶液中，静置过夜；
（3）配制0.1mol/L的高锰酸钾溶液，取73ml0.1mol/L的高锰酸钾溶液，加入步骤（2）中浸渍过Zr元素的载体，搅拌4h，得沉淀；
（4）得到的沉淀过滤洗涤，40℃干燥，得到负载了活性组分锰的活性炭催化剂；
（5）测量步骤（4）中得到的氧化锰活性炭催化剂的吸水率为1.2g水/g活性炭，等体积浸渍10%的稀氨水，40℃干燥，得到氨修饰的活性炭负载氧化锰催化剂，记作2Mn-Ac-0.5Zr。
6.一种根据权利要求1所述Ce、Zr或La修饰的吸附富集-催化氧化双功能催化剂的制备方法，其特征在于，按下述方法制备：
（1）称取0.86g六水合硝酸锆溶解于200ml水中，配制浓度为0.01mol/L的硝酸锆溶液；
（2）称取20g活性炭，浸渍于142ml硝酸锆溶液中，静置过夜；
（3）配制0.1mol/L的高锰酸钾溶液，取182ml0.1mol/L的高锰酸钾溶液加入步骤（2）中浸渍过Zr元素的载体，搅拌4h，得沉淀；
（4）得到的沉淀过滤洗涤，40℃干燥，得到负载了活性组分锰的活性炭催化剂；
（5）测量步骤（4）中得到的氧化锰活性炭催化剂的吸水率为1.2g水/g活性炭，等体积浸渍10%的稀氨水，40℃干燥，得到氨修饰的活性炭负载氧化锰催化剂，记作5Mn-Ac-1Zr。
7.一种Ce、Zr或La修饰的吸附富集-催化氧化双功能催化剂，其特征在于，其是根据权利要求1至6任一制备方法得到的。
8.一种根据权利要求7所述Ce、Zr或La修饰的吸附富集-催化氧化双功能催化剂的应用，用于甲醛净化，气体总流量为500ml/min，反应压力为常压1atm，甲醛的初始浓度V/V为2ppm，样品用量为2g。
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