改性马尾藻基活性炭低温选择性催化还原NO_x

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选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction, SCR)是目前火力发电厂烟气脱硝应用最为广泛的技术之一,而新型低温(<250 ℃)SCR催化剂的开发是烟气氮氧化物(NOx)治理技术的研究热点之一。活性炭具有巨大的比表面积和独特的微孔结构,表面化学官能团丰富,在适宜的反应条件下可表现出良好的脱硝性能,特别是活性炭SCR催化剂使用后易处理,与金属催化剂相比,更加清洁、环保。因此,近年来国内外关于开发基于活性炭的低温SCR催化剂的研究工作越来越活跃。马尾藻属于便于养殖且不占用土地和淡水资源的大型海洋藻类,具有价格低廉,便于采集,且在同类生物质中其碳、氮含量较高(分别为40.24%和2.52%)等优点。将该马尾藻作为活性炭制备的前驱物,不但能突破传统活性炭碳前驱物成本较大、活性炭得率低的缺陷;而且为我国产量多却大部分露天弃置的马尾藻的回收利用提供了一种新的应用途径。因此,开展对马尾藻基活性应用于脱硝实验的研究具有重要的理论和实际意义。本论文提出以马尾藻作为碳的前驱物,通过氮掺杂和金属负载改性马尾藻基活性炭,制备低温NH3-SCR催化剂。结合比表面积测试、元素分析、傅里叶红外、X射线光电子能谱、X射线衍射、氢气程序升温还原及氨气程序升温脱附等表征方法,在50~250℃反应温度区间内研究其脱硝催化性能。首先考察了不同制备方法及不同磷酸浸渍比对马尾藻基活性炭(Sargassum-based Activated Carbon,SAC)的低温SCR活性的影响。结果表明:当磷酸浸渍比为2:1,用物理化学活化法制备的Co/SAC-2催化剂的脱硝活性最佳。在125℃时,其NOx去除效率最高为82.05%,N2选择性在50~250℃的反应温度窗口均高于95%。另外,Co/SAC-2活性炭具有很好的抗硫抗水性能,但其反应活性温度窗口比较狭窄。为了拓宽马尾藻基活性炭的反应温度窗口,利用尿素掺杂改性,考察不同前驱物和不同掺氮比对氮掺杂改性马尾藻基活性炭在空速下为15000 h-1下的低温SCR活性的影响。结果表明:氮掺杂改性能有效提升催化剂的脱硝性能,其中C/SAC-2/U-6催化剂在50~250 ℃内的NOx去除效率均高于75%,最高为87%(150℃),大大拓宽了催化剂的低温反应活性温度窗口。由XPS表征结果可知,含氮官能团的存在形式对脱硝活性也有着很大的影响,特别是N-6结构的大量存在能促进NOx的吸附和氧化,从而促进快速SCR反应的进行,使得活性炭的低温脱硝活性提高。此外,氮掺杂马尾藻基活性炭展现了良好的抗硫抗水性能。最后考察了不同金属负载(铈,锰,铜和铬)对金属负载改性催化剂在高空速下(80000h-1)的SCR活性的影响。实验结果表明,在125 ℃时,不同金属负载改性催化剂的脱硝活性由高到低排序为:Cr/SAC>Cu/SAC>Ce/SA≈ Mn/SAC;金属铬负载制备的改性马尾藻基活性炭催化剂具有最佳脱硝活性,随着金属铬的引入,马尾藻基活性炭催化剂的NOx脱除效率在125℃时由56.9%提升至92.3%,其N2选择性在50~250℃的反应温度窗口均高于95%。此外,铬金属负载改性制备的马尾藻基活性炭具有良好的抗硫抗水性能,是一种理想的潜在低温高效NH3-SCR催化剂。
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