论文部分内容阅读
氮氧化物（NOx,x=1,2）和一氧化碳（CO）排放到大气中会对人体健康和生态环境造成影响,NOx和CO的有效防治对改善大气环境质量具有重要战略意义。目前,钢铁等非电行业烧结烟气中含有的大量CO和NOx等污染气体。在NOx超低排放以及CO污染排放问题日益严重背景下,解决钢铁烧结烟气中NOx和CO的问题刻不容缓。有效控制NOx和CO排放的途径之一是CO催化氧化耦合SCR脱硝技术,而该技术的核心是选择性氧化还原双功能催化剂的研发。目前市场上的SCR脱硝催化剂存在低温催化性能和CO催化氧化性能较差等问题,导致NOx和CO去除效率较低。因此,研发高效稳定且环境友好的低温双功能催化剂具有十分重大的意义。铜基催化剂具有良好的中低温SCR催化活性,但该催化剂体系中铜物种易烧结且耐硫性较差,而铁基催化剂具有较为优异中高温脱硝活性以及较好的抗硫性能。具有层状结构类水滑石衍生的复合金属氧化物,具有较高的比表面积、良好的热稳定性以及活性组分易调控的特性,是构筑中低温CO氧化及脱硝催化剂的理想材料。因此,本文通过借助类水滑石层状结构优势构筑了以Cu和Fe为双活性组分的双功能催化剂,并深入研究了其CO催化氧化和SCR催化性能、反应机理及抗硫机理,得到的主要研究结论如下:（1）考察了铜铁镁类水滑石衍生制备双功能催化剂不同合成条件对其性能的影响。发现活性组分的构成、Cu/Mg摩尔比和煅烧温度对CO催化氧化和CO-SCR性能具有显著影响。其中,以Cu、Mg、Fe作为活性组分,Cu:Mg=1.2:2.8、煅烧温度为500℃时所制备的催化剂CO催化氧化和CO-SCR性能最佳。通过调节活性组分的构成,制备出了具有良好层板结构的Cu1.0Fe Mg3.0-LDO催化剂,提高了其比表面积,不仅提高了Cu O物种的分散性,而且促进了活性物种与反应物的接触;进一步,通过调节Cu/Mg摩尔比,定量调控了CuzMg1-zFe2O4尖晶石相的生成;XNAES和NAP-XPS表征发现,CuzMg1-zFe2O4尖晶石相的生成促进活性氧物种(Cu2+-O-Cu2+和Cu2+-O-Fe3+)生成,从而增强了Cu、Mg和Fe之间强相互作用;最后,通过层板结构的优化实现了催化剂的氧化还原能力显著提升,并促进了Cu+物种的生成,从而显著提高其催化活性。在175℃达到85%以上的CO转化率（CO催化氧化）;在225℃时,NO转化率和N2选择性均能达到100%（CO-SCR）。（2）利用多维响应面法对Cu1.0Fe Mg3.0-LDO催化CO氧化和NH3-SCR反应工艺进行了优化,并建立了优化模型。结果表明,反应温度对NOx转化率、N2选择性和CO转化率的影响最大,其次是GHSV和CO/NO。反应温度和GHSV与N2选择性具有负相关性,GHSV和CO/NO与催化活性具有协同性。根据建立的模型,得到了Cu1.0Fe Mg3.0-LDO催化剂的最佳反应工艺参数为:反应温度为240℃,GHSV为60000 h-1以及CO/NO比为2;经过验证,得到的催化活性的预测值与实际值相一致。（3）Cu1.2Fe Mg2.8-LDO催化剂具有良好的抗水抗硫性能,且SO2中毒是部分可逆的。部分可逆是指覆盖在活性位点上（NH4）2SO4和NH4HSO4等物种,通过加热可以使铵盐自行分解,使部分活性位点重新暴露,催化活性得以恢复。利用in situ DRIFTS表征技术确定了Cu1.2Fe Mg2.8-LDO催化剂在温度低于250℃进行的CO-SCR反应遵循L-H机理,在温度高于250℃时反应遵循E-R机理;Cu1.0Fe Mg3.0-LDO催化剂进行NH3-SCR反应遵循Eley-Rideal（E-R）机理,CO催化氧化反应遵循Mars-van Krevelen（M-K）机理。