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氮氧化物(NOx)可引起酸雨、光化学烟雾及臭氧层破坏等一系列环境问题,并对人体健康有着很大的威胁,已成为大气污染治理的重点和难点。烟气脱硝是近年来NOx控制措施中最重要的方法,在众多的烟气脱硝技术中,氨选择性催化还原(SCR)技术因其高效性、选择性和经济性成为目前国内外最有效的控制烟气NOx排放的措施。催化剂是SCR技术的核心,运行在低温下(150℃左右)的SCR催化剂成为近来研究的热点,目前对低温SCR脱硝催化剂的研发主要集中在载体和活性组分两个方面。
本文以一种新型的载体材料——层柱粘土作为催化剂的载体,并在其上负载活性组分制备催化剂用于低温SCR脱硝。实验中以钛基层柱粘土(Ti-PILC)和Mn作为催化剂的载体和活性组分,研究了负载方法、活性组分负载量、煅烧温度以及掺杂第二活性组分对催化剂SCR脱硝活性的影响。另外,以锰铈为活性组分,研究了以两种不同钛前驱物制备钛层柱粘土载体对催化剂SCR活性的影响,并将Ti-PILC与Zr-PILC、Fe-PILC进行对比研究。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、比表面分析(BET)、傅里叶红外(FT-IR)、程序升温还原(H2-TPR)、程序升温脱附(NH3-TPD)等技术对不同条件下制备的催化剂进行表征。
对催化剂活性组分负载的研究结果表明,以浸渍法负载活性组分比离子交换法负载制得的催化剂具有更高的催化活性,当Mn负载量为10%,煅烧温度为300℃时催化剂的活性最好,在180℃的反应温度下达到了接近100%的NO去除率。当掺杂第二活性组分Ce和Fe时,催化剂的活性有了一定程度的提高,其中掺杂活性组分Ce时活性较好。而掺杂V后催化剂活性反而下降。
对载体的研究结果表明,以钛酸丁酯溶胶-凝胶法制备Ti-PILC作载体的催化剂比以四氯化钛水解法制备Ti-PILC作载体的催化剂具有更高的催化活性。将Ti-PILC、Zr-PILC及Fe-PILC三种层柱粘土分别作载体的催化剂进行对比研究,发现其催化活性非常接近,在测试温度窗口内都具有很好的脱硝活性,其中Mn-Ce/Zr-PILC催化剂催化活性最好。
对各催化剂进行表征分析发现,层柱粘土载体的交联程度影响催化剂的比表面积、孔结构及表面酸性等,而这些因素与活性组分氧化物的形态共同影响着催化剂的SCR活性。