高湿度条件下负载型锰铈催化剂催化燃烧乙酸乙酯性能的研究

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工业生产过程中排放的大量VOCs,已成为大气污染的主要来源之一,给人类的健康造成了严重的威胁。催化燃烧技术是目前治理VOCs污染的主流技术之一。但是由于目前商业用的催化剂抗湿性能不佳,在高湿度环境下其催化活性急剧下降,从而限制了该技术的广泛应用。本文主要以乙酸乙酯为目标有机污染物,研制高活性的负载型锰铈催化剂,并研究其催化氧化乙酸乙酯的动力学和机理以及抗湿性能。本文制备了MnCexOy/Cord(x=0,0.125,0.25,1)系列催化剂,并测定了它们催化燃烧乙酸乙酯的活性。结果表明,MnCe0.125Oy/Cord的催化活性最高,乙酸乙酯的转化率达到90%时的温度为227℃,比单组分催化剂MnOy/Cord的T90低11℃。通过表征发现,Ce的掺杂可以增加催化活性组分Mn2O3的分散度,并使其平均晶粒尺寸变小;但是随着Ce掺杂量的增加,催化剂表面的活性位减少,因此,催化剂的催化活性随着Ce的掺杂量的增加呈现出先升高后降低的趋势。本文研究了乙酸乙酯在MnCe0.125Oy/Cord上的催化燃烧动力学,分别采用Power-rate law和MVK动力学模型对实验所得数据进行了拟合,结果表明:MVK模型更适合用来描述乙酸乙酯在MnCe0.125Oy/Cord上的催化燃烧动力学过程。MnCe0.125Oy/Cord催化剂表面还原反应的活化能为85.64 kJ·mol-1,氧化反应的活化能为94.27 kJ·mol-1。这表明:催化剂表面发生的氧化反应应该是该催化剂催化燃烧乙酸乙酯的主要控制步骤。本文制备了四种单元式催化剂,并研究了它们催化燃烧乙酸乙酯的活性以及相对湿度对催化活性的影响。结果表明,MnCe0.125Oy/Ce0.8Zr0.2O2/M-Cord的催化活性最高,T90仅为216℃。四种单元式催化剂均具有良好的抗湿性能,当反应气体的相对湿度从30%提高到80%时,其中的MnCe0.125Oy/Al2O3/M-Cord催化氧化乙酸乙酯的T90的变化率为6.69%,而其他三种催化剂T90的变化率均在3%左右。EA-TPD结果表明:H2O的存在抑制了乙酸乙酯在催化剂上的吸附,这是高湿度对四种单元式催化剂催化剂活性产生负面影响的主要原因。H2O-TPD结果显示H2O与四种催化剂的相互作用力大小顺序如下:MnCe0.125Oy/Al2O3/M-Cord > MnCe0.125Oy/SiO2/M-Cord > MnCe0.125Oy/Ce0.8Zr0.2O2/Cord > MnCe0.125Oy/M-Cord。催化剂表面与H2O分子的相互吸附作用力越弱,其催化活性受水蒸气的影响也越小,因此,MnCe0.125Oy/M-Cord的抗湿性能最好。
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