MnO_x-基催化剂低温NH_3-SCR脱硝研究进展

锰氧化物(MnO_x)基催化剂在氨选择性催化还原(NH_3-SCR)脱除氮氧化物(NOx)的反应中具有高的低温催化活性。然而,目前,缺乏从分子原子水平认知控制MnO_x基催化剂低温活性的关键机制,进而难以采用可控策略实现NOx在更宽的温度窗口和更低温度的高效催化转化。本文基于最新的研究进展,综述了催化剂制备方法、催化剂载体、异质杂原子掺杂以及催化剂形貌等因素对MnO_x基催化剂NH_3-SCR脱硝性能的影响,深入认识了MnO_x基催化剂脱硝的作用机理,简要介绍了该催化剂的抗硫抗水机理,并对MnO_x基催化剂低温NH_3-SCR脱硝反应的未来发展进行了展望。     

低钒和无钒基氧化物类NH_3-SCR催化剂研究进展

NH_3-SCR技术是脱硝领域中应用最多和最为成熟的技术。现已工业化应用的V_2O_5-WO_3(MoO_3)-TiO_2催化剂存在低温活性差、操作温度范围窄,活性组分V_2O_5具有生物毒性等缺陷。因此,开发高效、稳定且无毒的新型无钒基NH_3-SCR催化剂成为脱硝领域的研究热点。以不同活性基的氧化物催化剂为主线,综述了国内外低钒和无钒基氧化物类NH_3-SCR催化剂的研究进展,总结了原料配方和制备工艺对催化剂性能和反应机理的影响,并展望了脱硝领域未来可能的发展方向。     

煅烧菱铁矿制备纳米结构化α-Fe2O3及其NH3-SCR脱硝活性研究

利用菱铁矿的热分解特性,在空气中不同温度下(400、500、600、700、800℃)煅烧天然菱铁矿制备具有纳米尺寸形貌特征的α-Fe_2O_3,作为NH_3选择性催化还原(NH_3-SCR)脱硝的催化剂.采用X射线衍射(XRD)、程序升温脱附(NH_3-TPD)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-Vis DRS)等手段对催化剂结构进行表征,并利用气固相催化反应系统对催化剂的NH_3-SCR脱硝活性和N_2选择性进行评价,同时考察其抗水抗硫及稳定性.结果表明,天然菱铁矿于空气中500℃煅烧相变为α-Fe_2O_3,具有最低的晶体尺寸(约10 nm)、最高的比表面积(39.68 m~2·g~(-1))和最优的脱硝活性;500℃煅烧菱铁矿制备的催化剂在250~400℃温度窗口内脱硝效率达到100%,并能保持较高的N_2选择性,这主要归因于其具有的纳米多孔结构特性和较大的比表面积,以及表面丰富的酸性位点和吸附态氧.当同时存在5%H_2O和0.04%SO_2时,α-Fe_2O_3在250~400℃区间的脱硝效率高于88%,且在300℃下持续反应360 min,脱硝效率维持在75%以上,表明500℃煅烧菱铁矿制备的催化剂具有良好的抗水抗硫和稳定性.     

焙烧温度对Fe2O3/SAPO-34催化剂低温NH3选择性催化还原NO性能的影响

采用尿素沉淀法制备了一系列Fe_2O_3/SAPO-34催化剂,考察了催化剂焙烧温度(200、300、400、500℃)对低温NH_3选择性催化还原(NH_3-SCR)NO性能的影响,并利用X射线衍射(XRD)、N_2吸附-脱附、原子吸收光谱(AAS)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、H_2程序升温还原(H_2-TPR)、NH_3程序升温脱附(NH_3-TPD)等多种手段对催化剂的表面结构和物理化学性质进行表征分析.XRD和FE-SEM分析表明,在较低的焙烧温度(400℃)下,铁物种能够高度均匀地负载在SAPO-34表面上.NH_3-TPD和H_2-TPR分析表明,高分散状态的Fe_2O_3使催化剂暴露出更多的强酸位和活性位,有利于提高催化剂的NH_3吸附和活化能力及氧化还原性能,从而使催化剂呈现出更高的低温SCR活性.BET和XPS分析表明,在较低的焙烧温度下,Fe_2O_3/SAPO-34催化剂具有更大的比表面积和更高的化学吸附氧比例,促进NO氧化为中间产物NO_2,从而加快低温SCR反应的进行.活性测试结果表明,300℃焙烧的Fe_2O_3/SAPO-34催化剂具有最佳的低温活性和较强的抗硫抗水性能,在空速为40000 h~(-1)的条件下,且反应温度为190~240℃时,NO转化率达90%以上且N_2选择性接近100%.     

中低温NH3-SCR催化剂抗中毒研究进展

目前,中低温氨选择性催化氮氧化物还原(NH_3-SCR)技术瓶颈在于确保催化剂高活性、高选择性前提下兼有抗硫耐水和抗碱土金属中毒等能力。该文综述了近年来适于中低温环境下SCR催化剂的研究进展,包括催化活性提高和抗中毒能力改进,阐述了影响中低温SCR反应的4大影响因素:表面酸性、活性位点、形貌结构、氧化还原性。并提出从源头设计出发,利用对影响催化剂性能的4大因素,设计出高效的目标催化剂。     

非热等离子体强化尿素-SCR脱除NOx

针对低温条件下尿素-SCR存在的尿素分解不完全以及脱硝效率低的问题,利用介质阻挡放电产生非热等离子体,并将其与同时具有催化尿素分解和催化NO_x还原活性的MnO_x/Al_2O_3催化剂相结合,考察了非热等离子体对于低温(100℃)下尿素催化分解制氨以及NH_3-SCR和尿素-SCR脱除NO_x的强化作用。结果表明:仅有催化作用时100℃下尿素难以分解,NH_3-SCR也仅能脱除23. 0%的NO_x。在催化床层内施加较低放电功率(约10 W)的非热等离子体既可促使尿素在低温下高效分解制氨,又可显著强化NH_3-SCR对于NO的脱除,并最终在MnO_x/Al_2O_3催化剂表面实现尿素-SCR高效脱除NO。     

焦炉烟气低温脱硝研究进展及对策分析

介绍了低温脱硝机理,分析了贵金属、分子筛、碳基材料、金属氧化物等低温脱硝催化剂的特点和研究现状,总结了焦炉烟气低温脱硝催化剂的工业应用现状。针对目前低温脱硝存在抗硫、抗水性能差等关键问题,提出了固体酸低温脱硝催化剂。该催化剂在150～350℃范围内的NOx去除率可达98%,在烟气中含有1 000 ppm的SO2和8%vol.水蒸汽的情况下,该催化剂的脱硝率在测试的20 h内未出现明显下降。     

水热超声合成铈掺钒钨钛低温脱硝性能研究

文章采用水热法成功合成钛基钒系催化剂(V_4W_5Ti),通过超声浸渍合成铈掺杂钛基钒系催化剂(Ce_(10)V_4W_5Ti),用稀硫酸进行预处理合成Ce_(10)V_4W_5Ti-pre-H_2SO_4,对其脱硝能力及抗水抗硫性能进行探究。考查了不同催化剂在200℃下的脱硝性能;水分、SO_2及氨氮比对脱销效率的影响。XRD结果证明水热法合成后的催化剂的主要晶型为锐钛矿。脱硝及抗水抗硫实验结果表明:Ce_(10)V_4W_5Ti-pre-H_2SO_4的NOx转化效率最高,200℃反应温度下可达85.7%;Ce_(10)V_4W_5Ti抗水抗硫性能最佳,同时加入10%H_2O和1 000×10-6SO_2后,NOx转化效率下降9.8%;当氨氮比1时,氨氮比越高,NO_x转化效率越高。该研究利用水热法和超声辅助负载相结合,进一步增强了催化剂在低温下脱销及抗水抗硫性能,可为其在环境污染控制领域的优化应用提供思路及参考。     

不同SAPO分子筛负载MnOx催化剂的低温NH3-SCR性能研究

以磷酸硅铝分子筛SAPO-5、SAPO~(-1)1和SAPO-34为载体,采用乙醇分散法制备了用于低温氨选择性还原(NH_3-SCR)NO_x的分子筛负载MnO_x催化剂.活性测试结果显示,3种分子筛催化剂均展现出优良的NH_3-SCR活性,但三者在低温区间的SCR活性存在较明显差异,其SCR活性顺序如下:MnO_x/SAPO-34MnO_x/SAPO-5MnO_x/SAPO~(-1)1.借助XRD、N2吸附-脱附、XPS、H2-TPR、NH_3-TPD、NH_3FT-IR等技术对催化剂的表面活性物种及表面酸性等进行表征分析,结果表明,MnO_x主要以无定型状态分散于载体上,负载后载体的比表面积和孔体积均有所下降.XPS和H2-TPR分析证实,不同分子筛载体上MnO_x的表面浓度与氧化态明显不同.NH_3-TPD和NH_3FT-IR分析揭示了催化剂表面均存在Bronsted酸位和Lewis酸位,其中,Lewis酸性位对低温SCR反应起着关键作用.研究表明,催化剂的催化性能会因载体不同而存在差异,高Mn4+表面浓度和丰富的Lewis酸性位对催化剂在低温区间实现优良的催化活性尤为重要.     

催化氧化法净化烟气中NO研究进展

一氧化氮(NO)的氧化是发展氨法同时脱硫脱硝技术的关键,本文从NO催化氧化机理、催化剂的类型及抗硫抗水性等角度分析了活性炭、分子筛、贵金属和过渡金属氧化物等催化剂催化氧化NO的性能及存在的主要问题,并提出通过增强催化剂的表面酸性来抑制SO_2的吸附及活性组分的硫酸盐化,是提高催化剂抗硫性能的一个有效途径;另外,可通过增加催化剂表面活性位的绝对数量进而降低H_2O分子对活性位点的占据比例,进而提高SCO催化剂的抗水性能。     

不同制备方法对Cu-SSZ-13催化性能的影响

为了考察制备方法对Cu-SSZ-13催化剂在氨选择性催化还原NO_x(NH_3-SCR)中催化性能的影响,使用不同的方法和载体,制备出理化性质有明显差异的3种催化剂(Cu_(3.9)-Na_(0.8)-SSZ-13、Cu_(5.1)-H-SSZ-13和Cu_(4.0)-Na_(4.0)-SSZ-13),并考察3种催化剂的水热稳定性和抗硫中毒性能.结果表明,由于具有适宜的Cu负载量,并且Cu物种的稳定性极高,一步合成法制备的Cu_(3.9)-Na_(0.8)-SSZ-13催化剂的水热稳定性优于液相离子交换法制备的两种催化剂.而以H-SSZ-13为载体,液相离子交换法负载Cu物种制备的Cu_(5.1)-H-SSZ-13催化剂具有最优的抗硫中毒能力,这与其较多的酸性位有关.因此,含有较多酸性位并且活性物种稳定性高是制备水热稳定性和抗硫中毒能力较优的Cu-SSZ-13催化剂的关键.     

Cu掺杂V/REY分子筛催化剂脱除烧结烟气中NO_x的性能研究

以V/REY分子筛型催化剂为研究对象,通过掺杂不同的金属助剂X(X=Fe、Ce、Cu、Co、V和Cr等),制备了XV/REY催化剂,比较X-V/REY催化剂的脱硝效率,发现Cu-V/REY催化剂有较好的低温活性,并通过SEM、H2-TPR、NH3-TPD对催化剂的性能进行表征,系统的考察Cu-V/REY催化剂的性能,证明Cu掺杂量能较好的提高催化剂的表面酸性和还原性,最后考察了SO2和H2O对催化剂的影响,证明170℃时,Cu-V/REY催化剂有较好的抗水抗硫性能。     

低温脱硝催化剂的研究现状

低温SCR脱硝处理可避免中温SCR催化的堵塞、磨损等问题,减轻K、Na、Ca、As等元素对催化剂的污染和中毒,建设成本低。通过介绍各种低温脱硝催化剂体系及研究进展,全面论述形成的不同氧化物相、不同制备方法、载体改性和催化剂内部结构特征对催化剂低温活性的影响;着重分析催化剂的中毒机理和抗中毒性能提高的方法。一方面,SO2浓度对催化剂的双重影响归结为催化剂表面形成的硫酸盐数量,H2O和催化剂表面反应物的竞争吸附;另一方面,催化剂活性组分改性和制备方法改进可以提高催化剂的抗硫和抗H2O性能;最后指出低温SCR脱硝技术的未来研究方向和应用重点。     

改性MnO_x-CeO_2/石墨烯催化剂的低温SCR脱硝性能

通过水热法分别制备Co掺杂及Ti掺杂的Mn-Ce/石墨烯催化剂,并通过X射线衍射(XRD),X射线光电子能谱(XPS),拉曼(Raman)光谱,H_2程序升温还原(H_2-TPR)及NH_3程序升温脱附(NH_3-TPD)等表征手段对两种催化剂分别进行结构和理化性质的分析。再通过对比两种催化剂去除NO_x的催化活性,N_2选择性与抗硫性可知,Co掺杂Mn-Ce/石墨烯催化剂在低温情况下有较高的催化活性,并且很好地改善了Mn-Ce/石墨烯催化剂的N_2选择性及抗硫性。     

氮掺杂二氧化钛负载钒磷氧催化氧化NO的实验研究

以VPO为活性组分,N掺杂TiO 2为载体,采用浸渍法制备了VPO/TiN催化剂,基于单因素实验研究了其对NO的选择性催化氧化(SCO)性能以及抗硫抗水性能。研究表明:当P/V为1/5、N/Ti为1、活性组分负载量为10%、焙烧温度为350℃时,催化剂的SCO活性最好,NO氧化率达到61%;光致发光光谱(PL)表征显示N掺杂TiO 2在催化剂表面形成的氧空位可增强催化剂对O 2的吸附;VPO/TiN催化剂抗硫抗水性能较强,反应后的催化剂表面未发现硫酸根的特征峰,水蒸气主要通过与NO竞争吸附占据活性位点来抑制催化剂的SCO活性。     

Mn-Ce-Fe/TiO2低温催化还原NO的性能

采用浸渍法制备了Mn-Ce-Fe/TiO2.研究了其组分配比、焙烧温度等制备条件和NO进口浓度、空速、O2含量、NH3/NO摩尔比等操作条件对Mn-Ce-Fe/TiO2 NH3低温还原NO活性的影响,并探讨了H2O、SO2对Mn-Ce-Fe/Ti O2活性的影响.结果表明,Mn:Fe:Ce摩尔比为5:2:4、500℃下焙烧的Mn-Ce-Fe/TiO2在无H2O、SO2,NO体积分数为0.1%,空速为5000h～,反应温度为130℃、O2含量为6%、NH3/NO摩尔比为1.1的条件下,NO转化率接近98%,Fe的加入大大提高了催化剂的单独抗水和同时抗硫抗水性能,130℃下,体积分数10%的H2O对该催化剂的活性基本没有影响,转化率保持在96%以上;通硫、水后的400min内,活性仅下降3%.单独通人S02时,该催化剂中毒程度较深.该催化剂有望应用于基本不含SO2的燃气锅炉烟气和不含SO2的硝酸尾气等NO,工业废气的低温脱硝.     

热处理天然褐铁矿制备γ-Fe2O3及其NH3-SCR活性探究

以天然褐铁矿为前驱体,通过热处理制备γ-Fe_2O_3作为NH3-SCR催化剂.借助XRD、XRF、XPS、NH3-TPD、FR-IR等表征方法,考察反应温度、褐铁矿中的锰氧化物以及H_2O和SO_2对催化剂选择催化还原NO活性的影响并与α-Fe_2O_3作对比.结果表明,由于γ-Fe_2O_3表面比α-Fe_2O_3具有更强的酸性,使得γ-Fe_2O_3的脱硝温度窗口(200~350℃)宽于α-Fe_2O_3(200~300℃),且在活性温度窗口下,催化剂脱硝效率达到99%以上;γ-Fe_2O_3催化剂中少量MnO_2的存在,提高了催化剂低温段(100~200℃)脱硝活性,降低了高温段(400~450℃)脱硝活性;SO_2的存在会使γ-Fe_2O_3的脱硝温度窗口向高温区偏移100℃、体积分数为5%的H_2O对脱硝反应的抑制作用很小,但当SO_2和5%H_2O同时存在,尤其是SO_2的体积分数达到0.12%时,硫酸铵盐类的迅速生成会大大降低γ-Fe_2O_3的脱硝活性;此外,γ-Fe_2O_3经过NH3-SCR反应后,其磁化率略有降低,催化剂仍然具有磁回收循环利用的潜力.     

高分散MnOx/SAPO-34催化剂的制备及其低温NH3选择性催化还原NO性能

采用改进的溶胶-凝胶法制备一系列MnO_x/SAPO-34催化剂,考察了各制备参数对催化剂的结构及其低温氨选择性催化还原(NH_3-SCR)脱硝性能的影响,并通过X射线衍射、N_2吸附-脱附、透射电镜、X射线光电子能谱、NH_3程序升温脱附等手段对催化剂进行表征.结果表明,当制备参数为n(乙醇)/n(Mn)=15,n(H_2O)/n(Mn)=20,n(柠檬酸)/n(Mn)=1,Mn负载量为15%(质量分数),催化剂焙烧温度为350℃时,制备的高分散15%-MnO_x/SAPO-34-350℃催化剂具有最佳的低温SCR活性,在空速为45000 h~(-1)的条件下,且反应温度在120～240℃范围时均保持90%以上的NO转化率和接近100%的N_2选择性.MnO_x纳米颗粒高度分散在SAPO-34载体表面,平均粒径约为5.46 nm,纳米颗粒的表面效应使得该催化剂具备较大的比表面积,暴露出大量的活性位点和高活性的MnO_2(110)晶面,同时,高Mn~(4+)比例和更多的化学吸附氧以及适宜的表面酸强度和酸量也是15%-MnO_x/SAPO-34-350℃催化剂呈现最佳低温SCR活性的重要原因.     

WO_3对V_2O_5/TiO_2-ZrO_2催化剂NH_3-SCR脱硝的影响

采用共沉淀法制备TiO_2-ZrO_2固溶体浸渍法负载WO_3和V_2O_5得到一系列V_2O_5-(x%)WO_3/TiO_2-ZrO_2催化剂。利用比表面积测定(BET)、X射线衍射(XRD)、原位漫反射傅里叶变换红外光谱(In situ DRIFTS)、程序升温脱附(NH_3-TPD)、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)等表征技术,结合脱硝性能测试,研究催化剂的表面特性、微观结构及脱硝活性;同时针对优选出的脱硝性能较好的催化剂,研究SO_2和H_2O对其活性的影响。结果表明:WO_3的负载增强了催化剂孔隙结构的稳定性和Lewis酸的强度。当WO_3含量为9%时,催化剂的孔隙结构最稳定,表面-NH_2活性物种最多,NH_3的吸附量最大脱硝活性最高,在300~400℃的温度窗口平均保持在92%以上。而当烟气中同时含有SO_2和H_2O时,催化剂活性会显著下降,且中毒不可逆。     

球磨制备低钒基催化剂的NH3-SCR脱硝性能

采用球磨混合方法,将催化剂以m（Cu/SAPO-34）:m（VW/TiO₂）为1:1的比例制得干混样品SAPO-Ti。利用固定床实验台架研究了混合催化剂的NH₃-SCR脱硝性能及其抗硫性能。采用 XRD、BET、SEM、H₂-TPR、NH₃-TPD和in-situ DRIFT对材料进行表征,结果显示,球磨混合样品SAPO-Ti同时具有2种催化剂的晶体结构,且酸量增加,中温活性提高。表面形貌研究表明,VW/TiO₂催化剂覆盖在Cu/SAPO-34催化剂表面,对Cu/SAPO-34催化剂起到保护作用;原位红外结果显示,Cu/SAPO-34催化剂硫中毒失活主要是在Cu活性位上形成硫酸盐物种,导致活性位减少,脱硝效率下降,而SAPO-Ti表面形成硫酸盐的数量减少,抗硫性能提高,主要是由于表面VW/TiO₂催化剂具有良好的抗硫性,保护内部Cu2+活性位,以保持高效中温脱硝性能。