常温低浓度NO催化净化用纳米氧化锰的设计合成、性能及应用

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:tank2203555
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道路隧道、地下停车场等城市半封闭空间的数ppm低浓度常温NOx污染(NO占90%以上)严重威胁相关人员的身体健康。在大量文献调研的前提下,我们认为采用常温吸附及吸收脱除NO2是较为可行的治理方案,而将惰性NO催化氧化为化学性质更为活泼的NO2,则是实现NOx高效去除的关键步骤。  自然界中锰的氧化物至少有30种不同的晶体结构。锰氧化物作为一种功能材料,由于其来源丰富,价格低廉,环境友好等优点,已经在氧化、催化、电化学、吸附和磁学等方面显示了许多特殊的物理和化学性质。  本课题组围绕锰氧化物体系在常温低浓度NO催化氧化的前期研究工作表明它在常温氮氧化物催化净化方面具有较好的性能。在此基础上,本文重点针对弱晶化的锰基氧化物对常温低浓度NO催化净化做进一步研究,并探索了用于NOx去除的整体式催化剂的涂覆工艺,分别在实验室、中试模拟平台和地下停车场工程示范装置中进行了性能测试。主要研究内容以及结论包括以下三个部分:  1)纳米氧化锰催化剂的超声辅助醇水溶液法制备和性能测试及机理分析:通过调节超声时间、反应物浓度、烘干温度、烘干时间、反应PH值,探索超声辅助醇水溶液法制备锰氧化物的最优合成条件:超声时间20 min,高锰酸钾浓度0.5 mol/L,烘干温度80℃,烘干时间8h,反应PH值为中性。纳米氧化锰催化剂在实验室测试条件下100%的NO去除率可持续15h,其大于80%的NO去除率可持续18h,具有良好的催化氧化效果。形貌表征和比表面积及孔径分布测试表明,纳米氧化锰是具有三维贯穿孔道结构的花瓣状弱晶化二氧化锰,这有利于气质传输和吸附,提高催化活性。FTIR表征证实了反应后氧化锰表面亚硝酸盐、硝酸盐的存在,它们在催化剂表面的逐渐积累很可能最终导致活性位点的覆盖使催化剂失活。通过XPS和H2-TPR表征,我们提出了吸附氧参与的基于三价锰与四价锰之间的氧化还原循环催化NO氧化反应的机理。  2)铁锰复合氧化物的氧化还原沉淀法合成与常温NO去除应用:采用简单的氧化还原法制备了FeMnOx系列催化剂,随着Fe掺杂浓度的升高,Fe的摩尔比逐渐增加,但是K的摩尔比逐渐降低,而Mn、O元素的占比基本不变,表明Fe以层间离子的形式取代了部分K离子。FeMnOx系列催化剂中Fe5MnOx的NO去除性能最稳定,恒定湿度下,50%的NO去除率可以维持25 h。FeMnOx系列催化剂的出口浓度曲线与NO去除性能曲线走势基本一致,表现出NO催化氧化为NO2后随即脱附释放的行为。  3)整体式催化剂的涂覆工艺改进及其性能测试:通过调控载体种类、载体目数、载体酸碱预处理以及涂覆浆料的PH等手段,得到了NOx去除性能较好的整体式催化剂制备工艺,其中硅溶胶的引入以及浆料负载量的提高能显著提升整体式催化剂的NOx净化效果。整体式催化剂在实验室性能测试、中试模拟平台以及地下停车场工程示范装置运行测试中均达到了50%以上的NOx去除率,具有良好的NOx催化净化效果。
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