硅钙去除对氟碳铈精矿孔隙结构及表面Ce分布的影响

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当今社会工业化势头正猛,而工业过程中所产生的烟气污染物影响着人类的生存,大气污染已变成了人类社会可持续发展的主要问题之一,因此,如何处理大气污染物已经迫在眉睫。选择性催化还原是目前国内外烟气处理所使用较为普遍的技术手段,而催化剂则是该技术的关键所在。目前,对催化剂的筛选、设计等进行了大量的实验研究,主要研究方面涉及催化剂的改性、掺杂和制备方法等,以此来提高脱硝催化剂的性能。包头白云鄂博稀土精矿主要由氟碳铈矿(REFCO3)和独居石(REPO4)组成。其化学性质有很大差别,独居石比氟碳铈矿结构更坚硬、更难分解,目前工业上采用最多的是浓硫酸焙烧法和加碱焙烧法提取氟碳铈矿,在氟碳铈矿中含有一定量的磷灰石(Ca5(PO4)3F)和萤石(Ca F2),使用氟碳铈精矿作为脱硝催化剂时,这两种矿物并不具备脱硝活性,且在催化剂表面占据部分活性位,从而抑制催化剂的脱硝效率。硅盐作为天然矿物形成过程中的伴生物质,结构坚硬嵌布在氟碳铈精矿中并难溶于酸,因此有必要对其进行溶解去除。通过酸浸、固氟、焙烧的实验方案对氟碳铈精矿中不具备活性的矿物质进行溶出处理,其中NaCl作为固氟剂,以防止反应过程中氟的逃逸对环境造成污染:(1)溶出Ca的最佳工艺条件为:HCl浓度6mol/L、矿:NaCl=1:5、磁力搅拌12h、500℃焙烧2h处理以后,氟碳铈精矿中Ca含量从22.21%降到了2.44%。且稀土元素含量提升了16%左右。(2)溶出Si的最佳工艺条件为:HF浓度13mol/L、矿:NaCl=1:5、磁力搅拌12h、500℃焙烧2h处理以后,氟碳铈精矿中Si含量从2.34%降到了0.17%。且稀土元素含量提升了13%左右。(3)在此基础上,确定了同时溶出Ca和Si的最佳实验条件:HCl浓度为6mol/L、矿:NaCl=1:5时融合搅拌12h、500℃焙烧2h的条件下进行Ca的去除;HF浓度为13mol/L、矿:NaCl=1:5、磁力搅拌12h、500℃焙烧2h的条件下对已经除去Ca的矿物再进行Si的溶出去除。实验结果为:Ca降到了1.85%;Si降到了0.17%。且稀土元素含量提升了22%左右。经过杂质溶出处理后,催化剂的物质组成结构发生了变化、表面元素价态发生转化。通过XRF、XRD、BET、SEM、NH3-TPD、H2-TPR、XPS等表征测试,由结果可知,催化剂比表面积变大孔隙增多,弱酸性位点增加,氧化还原能力增强,表面元素价态发生变化,产生大量氧空位。在第三部分实验当中,选择先进行Ca的溶出、再对Si进行溶出的实验顺序,是因为HF极易与Ca形成Ca F2难溶体,从而会对后续的Ca溶出实验造成一定的影响。通过对氟碳铈精矿进行Ca、Si杂质溶出去除以后,催化剂各方面的性能都得到改善,对当下脱硝催化剂的研究提供了一个更优秀的矿物载体。天然的氟碳铈精矿直接制备催化剂时,其中不具备活性的矿物质会抑制脱硝性能,而在经过将钙、硅物质溶出去除后,暴露出催化剂中更多的活性物质,并且氟碳铈发生分解行为后,产生铈氧化物分散于矿物表面,铈元素价态的转变为催化剂在脱硝过程中提供了更多的氧化还原空位;在杂质元素去除的过程中,催化剂表面形成了发达的孔隙结构,为催化剂在脱硝过程中提供了更多的反应场所。因此,使用经过除杂之后的氟碳铈精矿制备脱硝催化剂,相较于直接选用天然矿物制备催化剂有着更大的优势。
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