利用铝型材厂工业废渣制备多孔陶瓷及稀土催化剂性能研究

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多孔陶瓷广泛应用于汽车尾气净化器、催化剂载体、消声材料和隔热材料等行业。堇青石多孔陶瓷具有几何表面积大、热膨胀系数小、耐热冲击性好和成本低等特点,作为汽车尾气催化剂载体,具有其它材料不可替代的效果。稀土复合氧化物催化剂因其综合性能佳,催化能力强,而引起了人们广泛的关注。本文利用铝型材厂的工业废渣代替传统的工业氧化铝,与片状结构的高岭土、滑石合成了片状结构堇青石陶瓷,开发了技术路线简单易行,烧成温度低,高定向排列,高纯度的堇青石制备工艺。采用同步热分析仪、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、热膨胀系数仪等手段,对片状结构堇青石陶瓷的制备工艺、显微结构和热膨胀系数进行了系统地研究,详细分析了原料的种类、配方、烧成制度以及晶核剂等对合成堇青石的影响。铝型材厂工业废渣预烧后Al2O3的含量达到90%以上,完全可取代工业氧化铝作为合成堇青石的主要原料。堇青石的理论组成点并不是合成堇青石的最佳配方,当Al2O3和MgO的含量略高于理论组成点,SiO2的含量略低于理论组成点时,对合成堇青石有利。烧成温度能够显著影响堇青石的合成、晶相结构以及热膨胀系数等性能,烧成温度为1380℃时,片状堇青石生长最完全,热膨胀系数达1.82×10-6℃-1。保温时间的长短显著的影响晶体发育及反应程度,保温时间为4 h时,合成的片状堇青石大小均匀,热膨胀系数达到1.73×10-6℃-1。以堇青石熟料作为晶核剂,可以在一定程度上解决堇青石成核困难的问题,能明显促使高温下堇青石的形成和发育,且晶粒发育较好,同时还有利于降低堇青石的热膨胀系数。首次以水溶性高分子材料为添加剂,以自制片状堇青石粉为主要原料,采用挤出成型技术,创新性地制备了多孔堇青石蜂窝陶瓷载体。对载体的制备工艺、形貌、物相组成、孔密度、热膨胀系数、抗热震性等进行了表征分析。以片状堇青石为原料,采用挤出成型方法有利于堇青石晶体的定向排列,使载体热膨胀系数各向异性,降低热膨胀系数,提高抗热震性。采用水溶性粘结剂替代传统桐油等油性粘结剂,可大大改善泥料的润滑性及可塑性,杜绝有害废气的产生。本实验制得的堇青石蜂窝陶瓷载体以片状结构为主,沿壁面方向呈现一定的定向排列,载体热膨胀系数仅为8.565×10-7℃-1(30-800℃),室温到650℃的急热急冷循环次数达5次以上,抗热震好;孔密度达90.6孔/cm2(±2.5%),壁厚为0.16 mm。同时,为研究La-Sr-Co-O系列催化剂的催化性能,首次选用多孔莫来石纤维陶瓷为催化剂载体,采用真空浸渍法分别制备了负载型La1-xSrxCoO3-δ(x=0.2,0.4,0.6和0.8)和La1-xSr)xCo0.9Pd0.1O3-δ(x=0.2,0.4,0.6和0.8)钙钛矿氧化物催化剂。采用同步热分析仪、X射线衍射、扫描电子显微镜、比表面积分析仪、烟气分析仪等手段,对催化剂的物相组成、显微结构和催化性能进行了系统地研究,研究A位和B位取代对催化剂催化活性的影响,评估了各催化剂对NO+CO气体的催化性能,并分析Pd掺入对催化剂NO+CO催化活性的影响。催化剂能较好地与多孔莫来石纤维陶瓷结合并具有较好的分散性,以多孔莫来石纤维陶瓷作为La-Sr-Co-O和La-Sr-Co-Pd-O系列催化剂的载体,抑制了钙钛矿结构形成过程中SrCO3的生成;贵金属Pd掺入La-Sr-Co-O催化剂中可抑制La(OH)3杂相的生成,Sr2+对La3+的A位取代大大增加了催化剂的氧格空位。催化测试结果表明,多孔莫来石陶瓷载体负载La1-xSrxCoO3-δ催化剂和La1-xSr)xCo0.9Pd0.1O3-δ催化剂对CO+NO均有较好的催化氧化还原特性,Pd的掺入明显增加了La-Sr-Co-O催化剂的催化活性。La1-xSrxCoO3-δ系列催化剂中,La0.6Sr0.4CoO3-δ的CO催化氧化能力最强,La0.4Sr0.6CoO3-δ的NO催化还原能力最强,La0.8Sr0.2CoO3-δ单位表面积的CO催化氧化和NO催化还原活性都最强。La1-xSr)xCo0.9Pd0.1O3-δ系列催化剂中,La0.6Sr0.4Co0.9Pd0.1O3-δ的CO整体催化氧化和NO整体催化还原活性都较高,La0.4Sr0.6Co0.9Pd0.1O3-δ对CO单位表面催化氧化活性最高,各催化剂对NO单位表面催化还原活性则随着温度的不同而变化,温度对La0.4Sr0.6Co0.9Pd0.1O3-δ钙钛矿氧化物催化剂的催化还原活性影响最为显著。
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