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本实验以双苯环结构的萘为目标污染对象,模拟VOCs的催化降解。通过测试萘在介孔分子筛上的转化率和碳生成率评价催化剂活性,结合一系列表征手段分析制备条件和工艺条件等对催化剂活性的影响,并对催化剂失活的机理进行初步分析,为进一步研究VOCs的催化氧化过程提供理论依据。另外,本论文简要介绍了几种VOCs治理技术,综述了传统与非传统VOCs的催化氧化技术的研究进展及其作用机理,并阐述介孔分子筛的催化氧化应用进展,在此基础上对萘的催化氧化进行了研究。实验得出的主要结论如下:
(1)采用浸渍法制备了分子筛催化剂,以CuO(CeO2)为活性组分,SBA-15为载体制各了不同质量比的CuO/SBA-15和CuO-CeO2/SBA-15两种催化剂。采用BET、XRD、TPR和XPS等对催化剂进行表征,表征结果表明CuO高度分散于介孔分子筛SBA-15中,CeO2可促进CuO在载体上的分散,同时能降低催化剂的TPR还原温度。
(2)通过对萘的活性测试分析了制备条件和工艺方法如焙烧温度、负载量和空速等对催化剂活性的影响,结果表明催化剂在500℃的焙烧温度和N2焙烧气氛中活性最佳;CuO负载量在10%-15%时的CuO/SBA-15对萘的催化活性较高,负载量大于15%反而降低了催化剂活性;空速在120000 ml/(g·h)时15%CuO/SBA-15对萘的催化活性最高。
(3)活性测试结果表明CuO-(CeO2)/SBA-15对萘的氧化表现出很高的催化活性。在温度为320℃左右萘就达到完全转化,但是CuO/SBA-15对萘氧化生成的CO2的速率小于萘的转化速率,在360℃时CO2的生成率仅仅达到60%左右。而添加了CeOCuO-CeO2/SBA-15不仅提高了萘的转化率,还提高了CO2的生成率,使萘在320℃左右CO2的生成率达到90%。结合BET、XRD、SEM、GC-MS等表征手段和活性评价结果,研究了CuO/SBA-15碳平衡亏损的原因是由于反应过程中生成了很多其他副产物,并推断CeO2促进反应中CO2的生成的原因是由于CeO2促进了晶格氧的生成。
(4)通过催化剂的稳定性考察,结合GC-MS和SEM等表征手段研究CuO/SBA-15失活的原因是反应过程中生成的大分子有机物堆积在催化剂的表面,影响了催化剂的活性,进一步证明了以上结论。另外,本实验制备了Pt/SBA-15催化剂,对萘在Pt/SBA-15的动力学进行初步探讨,推导出氧化反应速率方程y=5.9797X0.7587和完全氧化反应速率方程y=1.8702x0.5189,对后续有关萘氧化的动力学研究打下理论基础。