锡铁负载型脱硝催化剂的制备及其NH3-SCR性能研究

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氮氧化物(NOx)是一种严重的大气污染物,它不仅会对环境、生态造成危害,甚至危及到人类身体健康。有效的控制 NOx的排放成为当今世界一大环境战略任务。选择性催化还原(SCR)技术是目前脱硝技术主流,催化剂性能是其关键技术。负载型脱硝催化剂是目前主要研究方向之一,其中铁基 SCR催化剂一直受到研究者的青睐。本研究致力于低温SCR性能,选择助催化剂(锡)和四种不同类型的载体制备了一系列新型的锡铁负载型催化剂,并系统的对其脱硝性能,抗毒性和催化机理进行了研究。  首先本文使用了Fe2O3作为催化剂的主活性组分,SnO2作为辅活性组分,凹凸棒土(ATP)、活性炭(AC)、二氧化硅(SiO2)和二氧化钛(TiO2)作为催化剂载体,通过草酸盐共沉淀法和水热合成法制备了一系列低温SCR催化剂(SnFe/M,M=ATP、AC、SiO2和TiO2),并通过等体积浸渍法制备了碱(土)金属老化催化剂。  接着运用XRD、FT-IR、SEM、BET等手段对催化剂进行表征。结果表明:催化剂中活性组分分别以SnO2和γ-Fe2O3结构存在;载体分别为棒状ATP、大孔AC、介孔SiO2和锐钛矿TiO2,并为催化剂提供了大的比表面积和大量Bronsted酸性位点。活性组分氧化物之间存在着相互作用,表现为电荷的相互影响。这种相互作用会促使氧化物向无定型转变,活性组分提供了大量的Lewis酸性位。催化剂表面同时存在着Lewis酸性位点和Bronsted酸性位点皆有利于反应气体的吸附和催化反应。  此外考察空速(32,000-48,000 h-1)、反应温度(80~280℃)、活性组分含量、烟气成分(SO2)以及飞灰成分(碱(土)金属)对催化剂的SCR性能的影响。催化剂活性测试结果表明:催化剂的最佳反应空速为38,000 h-1,最佳活性温度窗口为160~240℃,最佳锡铁摩尔比为1:2,锡铁负载型催化剂有良好的SO2抗毒性,但碱金属对其脱硝性能抑制作用不容忽视。测试催化剂中1/2SnFe/ATP的SCR脱硝性能最佳,200℃时实现最高转化率96.4%;300ppm SO2存在的条件下,其催化NO的还原效率仍然达到84.4%。  最后本文通过密度泛函理论模拟计算了气体分子在催化剂活性组分γ-Fe2O3表面的吸附过程,并结合实验验证了催化剂的SCR脱硝反应符合E-R反应机理。NH3在催化剂表面吸附,并脱去一个H生成NH2(a);由于吸附过程中有电荷转移到催化剂表面,生成的NH2(a)缺失电子,活性很强,极易与NO发生亲核反应形成H2N-NO(反应中间体),进而分解生成水和氮气分子脱离催化剂表面。参与反应的O2会从催化剂表面得电荷,并形成活性O(a),与催化剂表面的H发生反应生成OH(a),最后形成H2O分子离开催化剂表面。此推论从电荷转移角度形象的表示了活性组分在催化反应中起到桥梁作用,有助于理解吸附物与催化剂活性组分之间相互作用的本质。
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