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挥发性有机化合物(VOCs)是一类重要的大气污染物,对生态环境和人类健康有严重危害。催化燃烧技术由于具有燃烧效率高,低温起燃性好,无二次污染产生等优点,在VOCs的净化处理中具有显著优势。催化燃烧处理技术中催化剂是关键,因此开展钯基整体式催化剂制备工艺的改进和开发,具有重要的研究意义和工业应用价值。
本文以堇青石蜂窝陶瓷为基体,Pd为主要活性组分,采用两种方法分别制备了钯基整体式催化剂,并以甲苯催化燃烧净化作为探针反应,主要研究内容及结果如下:
传统浸涂法在堇青石上涂覆氧化铝涂层存在涂层涂覆不均匀,与载体结合不牢固,易于龟裂脱落等缺点,为改善涂覆工艺,本文采用真空抽提涂覆法涂覆氧化铝涂层制备堇青石蜂窝陶瓷基底作为载体,再通过浸渍法制备了负载量为0.15wt％的负载型Pd/γ-Al2O3/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂,在考察了催化剂对甲苯催化燃烧性能基础上,还进行了比表面积、XRD、SEM等表征分析。结果表明:在涂覆涂层时,对比传统浸涂法,真空抽提涂覆法具有涂覆率高,脱落率低,涂层牢固度更好,涂布更均匀,所得基底比表面积更高的优点；从活性评价来看,以真空抽提涂覆法制备的VAC14基底为载体得到的Pd/VAC14整体式催化剂表现出更为优越的催化活性,其甲苯催化燃烧T10和T99分别为180℃和215℃。从XRD和SEM谱图也看到催化剂活性组分PdO在基底表面上呈小晶粒高分散均匀分布。
浸渍法制备钯基整体式催化剂时,需预涂覆涂层,故制备工艺繁杂费时、成本高,而常规化学镀钯制备催化剂时使用的贵金属含量很高,而且采用的基材主要是致密无孔的平板状材料,所以本文以堇青石蜂窝陶瓷为基材,采用化学镀法制备了无涂层低含量钯基整体式催化剂。实验结果表明:最优化学镀制备条件为:化学镀时间30min,化学镀温度60℃,镀液浓度为0.20g/L,焙烧温度500℃。相应表征结果也显示随焙烧温度升高,高分散PdO和结晶型PdO作为主要活性组分在400～500℃时大量生成,但焙烧温度过高会导致PdO颗粒聚集烧结。从催化剂反应性能和经济因素考虑,负载量为0.24wt％的Pd/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂的性价比最高,其在甲苯催化燃烧反应中T10和T99分别为201℃和228℃,同时还发现该催化剂在较大空速范围(6000h-1～10000 h-1)和较宽进气甲苯浓度范围(0.5～8.0g/m3)内都能保持很高的催化活性,105h寿命实验中催化剂活性基本保持不变。从热冲击、牢固度、XRD、UV漫反射、H2-TPR和O2-TPD等分析结果也表明:化学镀法制备的Pd/蜂窝陶瓷整体式催化剂中活性组分在基材上负载牢固,而且在负载量较低时,PdO以小颗粒单层均匀分散,但负载量大于0.60wt％后,PdO颗粒开始在基材表面聚集,呈多层重叠团聚,从而造成活性组分浪费,所以适宜负载量为0.24wt％。
整体来看,采用浸渍法以真空抽提涂覆技术制备的Pd/-Al2O3/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂的低温催化活性更高,但采用化学镀法制备的无涂层低含量Pd/堇青石蜂窝陶瓷整体式催化剂无需涂覆涂层步骤,制备工艺更为简单,同时还具有较好的低温催化活性,较宽的空速和进样甲苯浓度的耐受性,以及优良的热稳定性,在工业VOCs的净化处理上具有很好的应用潜力。