改性海泡石催化剂协同低温等离子体脱除NOx

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  摘 要: 为了环境保护的目的,采用盐酸浸泡和硝酸铜改性海泡石,并经高温煅烧制得改性海 泡石催化剂,在介质阻挡放电反应器中该催化剂协同低温等离子体氧化脱除汽车尾气中的NO 。试验证明低温等离子体协同改性海泡石催化剂能够有效脱除NO,反应器输入电压、酸浸浓 度以及催化剂煅烧温度对NO脱除率有显著影响。NO脱除率随输入电压增大而增加,等离子体 能够有效提高活性粒子和氧自由基浓度,以及增大催化剂的活性和吸附性能。NO脱除率随酸 浸浓度和煅烧温度的增大先增加而后降低,NO脱除率具有最佳峰值。最佳实验条件为等离子 体输入电压>30 kV、盐酸浓度1.5 mol/L左右、煅烧温度400 ℃左右。NO最大脱除率可达88.4%左右。该研究为脱除NOx的工业性应用提供了理论 依据。
  关键词:海泡石;脱除NOx;低温等离子体;介质阻挡放电反应器
  中图分类号:X511文献标识码:A文章编号:1672-1098(2009)03-0044-04
  
  海泡石是天然纤维状含水镁硅酸盐黏土矿物,细长针状纤维聚集成束状体,杂 乱地交织形成无规则纤维网络;在其结构单元中硅氧四面体与硅氧八面体相互交替,具 有层状和 链状结构的过渡型特征,理想结构式为Si12O30Mg8(OH)4•8H2O。海泡 石的特殊结构决定了它具有良好物化性能以及吸附性和催化性。传统催化剂载体广泛采用Al2O3,但其价格较高且易与活性金属(Me)组分形成尖晶石结构MeAl2O4使催化剂失 活。文献[1-3]1-3研究表明海泡石替代Al2O3具有 更多优点,海泡石不仅价格低廉,比表面积高,具有优良吸附性能;而且具有类分子筛特性 ,当引入其他金属氧化物活性点时,具有较好的催化性能。另外由于自身的物化性能,亦被 直接用作一些反应的催化剂:如加氢精制、加氢裂化、环乙烯骨架异构化及乙醇脱水等反应 。海泡石还具有良好的热稳定性,具有无毒、无污染、耐油、耐碱、耐腐蚀、附着力强、不 易裂缝等优点。
  低温等离子体能够产生大量自由电子、离子、活性自由基和多种激发态自由粒子,含有 大量活性原子氧(O),具有较高的活性能量,可将NO氧化成NO2,对脱除汽车尾气中的NOx 具 有其独特优势,且结构简单、不影响汽车发动机性能[4-6];介质阻挡放电是产 生低温等离 子体的一种形式[7-8]。由于汽车尾气中NO相对浓度不高(200~300)×10-6 ,要求催化剂具有较好的吸附和储存性能,以及能较好地适应低温等离子体环境,具有 较好反应活性和选择性[9-11]。本文研究了改性海泡石催化剂的酸浓度、煅烧温 度以及低温等离子体输入电压对NO脱除率的影响规律。
  
  1 材料与方法
  
  1.1 材料
  试剂:海泡石原矿(河南南阳磊宝海泡石公司,280目,工业级)、硝酸(安徽淮化集 团试剂厂,AR级)、盐酸(安徽淮化集团试剂厂,AR级)、硝酸铜 (汕头市西陇化工厂,AR 级)、空气钢瓶、NO/N2钢瓶(NO含量2×10-3,其余为N2) 。
  设备:汽车尾气分析仪(广东佛山分析仪表厂,FGA-4100):测量范围:NO:(0~4 000)× 10-6;电子天平WT10002NY;DHG-9240型电热恒温鼓风干燥箱(型号5X 2-5-12 ); 扫描电镜(SEM,日本岛津公司,KYKY-EM3200)、马弗炉、气体质量流量计。变压器、功率表 、高压电源JNB-208B、高压探头、数字式示波器等。
  介质阻挡放电催化反应器(自制):反应器由内径为[JP]27 mm、壁厚2mm、长度120 mm的硼硅酸耐热玻璃管制成,在玻璃管外壁粘贴厚度为0.6 mm的铝膜为阴极,铝膜长度60 mm;在玻璃管中央安装外径为8 mm的铝管为阳极;固体催化剂装填在铝管和铝膜间的玻璃管内,反应器两端用硅 橡胶塞密封[12]。
  1.2 催化剂制备
  (1) 海泡石提纯 取200 g海泡石原矿, 用120 mL蒸馏水搅拌10min;静止片刻,倾倒出上层悬浮物,取中间层悬浊液。下层沉淀物按上述方法 再处理几次。真空泵抽滤所得悬浮液,滤饼固体放入烘箱烘干、研碎待用。
  (2) 海泡石酸活化 酸活化海泡石是在保持其晶体结构形态基本不变情况下, 扩大孔道 截 面积, 增加孔道数目, 改善表面性能, 达到增强吸附能力目的; 同时酸处理还能清除杂 质 , 提高纯度。 在本实验中选取盐酸进行活化, 酸浓度在0.5~2.5 mol/L范围内调 节,固(海泡石)液(盐酸)比为1∶15 g/mL,酸化后的海泡石放入马弗炉在 220 ℃下煅烧4 h,然后取出研碎。
  (3) 海泡石改性 将酸化后的海泡石50 g浸渍于浓度为5%的Cu (NO3)2溶 液中,浸渍时间24 h。在常温下放置、抽滤,再用去离子水反复洗涤抽 滤,至 洗涤液检测不出Cl-为止,因为Cl-存在会在焙烧过程中和金属活性组分发生反应生成氯 化 物,引起催化剂中毒。滤饼干燥并研碎至240目左右,放入模具中压制成型,催化剂颗粒自 然干燥24 h定型,放入马弗炉中在300~600 ℃温度范围内加 热活化5 h。
  1.3 试验方法
  为了模拟汽车尾气的组成采用了图1所示的流程示意图。
  


  分别把不同温度条件下活化的催化剂颗粒30 g装入相同的等离子体固定 床反 应器中,在室温条件下向反应器中通入浓度为300×10-6的NO 模拟气体,入口气体流量为4.0 L/min。在相同试验条件下,介质阻挡放电等离 子体反应器的输入电压(Vpp,峰值对峰值)分别在6~50 kV间调节;分别测试反应器出口气体中NO浓度。当NO浓度稳定后(大约10min时间后),记录NO浓度并计算NO脱除率。
  NO脱除率(%)=100(反应器进口NO浓度-反应器出口NO浓度)/反应器进口NO浓度
  
  2 结果与讨论
  
  2.1 盐酸浓度对NO脱除效率影响
  海泡石分别在浓度为0.5、 1.0、 1.5、 2.0、 2.5 mol/L 的盐酸溶液中浸泡24 h,催化剂煅烧温度400 ℃,在40 kV输入电压条件下测 得盐酸浓度与NO脱除率关系如图2所示。
  c(HCl)/(mol•L-1)
  


  从图2知在相同试验条件下浸泡海泡石的盐酸浓度对NO脱除率具有明显影响,当盐酸浓度在1 .5 mol/L左右时NO脱除效率达到最大值,当盐酸浓度<1.5 mol/L时 NO脱除率随盐酸浓度增加而增大,当盐酸浓度>1.5 mol/L时NO脱除率随盐酸浓 度增加而减小。
  根据海泡石典型分子结构其酸浸反应理论化学反应方程式为
  


  在酸浸反应过程中H+代替骨架中的Mg2+。由于天然海泡石具有发达的微孔(小于1. 5 nm)和部分中孔(1.5~5.0 nm),海泡石纤维间空隙形成大孔 且与纤维间堆积有关,当盐酸浓 度较低时部分镁离子被溶解脱除形成新的网孔结构,致使海泡石内部微孔部分相互连通,微 孔进一步发展为中孔,尽管微孔比率减小,中孔比率增加,但由于通道连通作用使其总比表 面积增加,有利于催化剂活性提高,所以NO脱除率增加。当盐酸浓度大于临界值后,大部分 微孔和中孔发展为大于10 nm的大孔,使网状孔径进一步增大,致使比表面积降 低,NO脱除率也随之减小。
  2.2 活化温度对NO脱除效率影响
  压制成型的催化剂颗粒(浓度1.5 mol/L盐酸改性)放入马弗炉中分别在300、3 50、400、450、500、550、600 ℃条件下加热活化5 h,在40 kV电压条件下测得活化温度和NO脱除率关系如图3所示。
  


  由图3知当活化温度在400 ℃左右时NO脱除率最大,当小于400 ℃ 时NO脱除率随活化温度提高而增加,当活化温度大于400 ℃时NO脱除率随活化 温度提高而降低。
  根据晶体学理论海泡石内外表面存在3种吸附活性中心[3]72-89:①孔道内 以 氢键与结构边沿镁离子配位结晶水相互连接的类似吸附性质的水,其重量可达海泡石本身重 量的2倍左右,该部分水可被其他极性分子置换或失去,它是海泡石具有强烈吸附性能的主 要原因;②Si-OH 离子团,该离子团可与被吸附物形成共价键;③硅氧四面体中的 氧原子。同时海泡石晶体表面存在大量缺陷位,该缺陷位是晶体表面能聚集点,具有较高的 吸附活性。
  当海泡石煅烧温度在400 ℃左右时失去部分水分,提高了缺陷位数量和分布密 度,海泡石晶体表面表现出良好的表面吸附和催化活性,NO能较好地吸附于催化剂表面,并 被等离子体产生的活性原子氧氧化为NO2;当煅烧温度大于400 ℃,部分缺 陷位和活性点将被烧结熔融,活性降低;当煅烧温度小于400 ℃时,海泡石表 面未能达到充分活化,其活性不高。
  2.3 输入电压对NO脱除效率影响
  将在最佳酸化和煅烧条件下制得的催化剂装填在反应器中,NO脱除率与反应器输入电压 变化关系如图4所示。
  


  从图4知NO脱除率随输入电压增加而增大, 因为输入电压的增加将提高介质阻挡放电反 应系统的等离子体密度和活性氧原子浓度, 加速介质阻挡放电等离子体反应器中化学反应 速 度, 当输入电压>30 kV时, NO脱除率显著增加, 当输入电压增至40 kV左右NO脱除率达到最大 值(约为88.4%),反应基本达到平衡状态。该结论说明改性海泡石催化剂协同低温 等离子体对NO具有较好的脱除效果,并发生如下化学反应:NO+O→NO2
  
  3 结论
  
  试验证明低温等离子体协同改性海泡石催化剂能够有效脱除NO,反应器输入电压、酸浸 浓度以及催化剂煅烧温度对NO脱除率有显著影响。NO脱除率随输入电压增大而增加,离子体 能够有效提高活性粒子和氧自由基浓度,以及增大催化剂的活性和吸附性能。NO脱除率随酸 浸浓度和煅烧温度的增大先增加而后降低,具有最佳峰值。本研究的最佳实验条件为等离子 体输入电压>30 kV、盐酸浓度1.5 mol/L左右、煅烧温度400 ℃左右,NO最大脱除率可达88.4%左右。
  
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  (责任编辑:李 丽)
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