貴金屬催化燃燒催化劑的研究

董建民 孫海霞 馬濤 崔志丹 欒運(yùn)加

摘 要： VOCs 大多具有毒性，并伴有刺激性的惡臭，直接排放會(huì)威脅人類健康，并對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。目前，催化燃燒技術(shù)是工藝較為成熟，同時(shí)也是應(yīng)用較為廣泛的 VOCs 的凈化方法。實(shí)際過(guò)程使用的催化燃燒催化劑多為具有規(guī)整結(jié)構(gòu)的蜂窩狀催化劑，活性組分通常為 Pt、Pd、Ru 等貴金屬。從整體式催化劑的角度出發(fā)，制備了 Al2O3 和 TiO2 兩種涂層的整體式催化劑用于催化燃燒消除苯的實(shí)驗(yàn)，未添加鈰鋯粉時(shí)的活性順序：Pt/Al2O3/堇青石 Pt/CZ-TiO2/堇青石，同時(shí)鈰鋯粉的添加還可以提高催化劑的熱穩(wěn)定性。

關(guān) 鍵 詞：揮發(fā)性有機(jī)物；催化燃燒；貴金屬；整體式催化劑

中圖分類號(hào)：TQ 426 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2016）04-0720-04

Abstract： Most VOCs are toxic， accompanied by pungent odor； their direct emission will threaten human health and cause serious environmental pollution. Currently， the catalytic combustion technology is more mature technology， and also is widely used in the purification process of VOCs. Most catalytic combustion catalysts have regular honeycomb structure； the typical active ingredients are Pt， Pd， Ru and other precious metals. Monolithic catalysts Al2O3 and TiO2 with coatings were prepared for the catalytic combustion experiments to eliminate benzene. The order activity of catalysts without cerium-zirconium powder is as follows： Pt / Al2O3 / cordierite Pt / CZ-TiO2 / cordierite， while adding cerium zirconium powder can also improve the thermal stability of the catalysts.

Key words： Volatile organic compounds； Catalytic combustion； Precious metals； Monolithic catalyst

目前催化燃燒催化劑主流是貴金屬催化劑，復(fù)合金屬氧化物為活性組分的 燃燒催化劑雖然存在，但通?；钚赃h(yuǎn)較貴金屬低，反應(yīng)所需要的溫度高，操作成本較高，而且開(kāi)發(fā)的非貴金屬的催化劑的高活性通常只針對(duì)某個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的廢氣處理，其應(yīng)用范圍有很大的局限，缺乏廣泛的適應(yīng)性[1]。而貴金屬催化劑對(duì)鹵代烴以外的各類 VOCs 均具有較高的催化活性，其適用范圍廣，低溫活性高，受到了人們廣泛的青睞。

本文擬開(kāi)發(fā)一種具有較高低溫活性、較低貴金屬負(fù)載量的催化燃燒催化劑。提高催化燃燒催化劑的低溫活性，可以降低外加熱源的操作費(fèi)用，節(jié)約能源消耗。貴金屬資源的稀缺，其價(jià)格昂貴，降低貴金屬含量可以降低催化劑的成本，便于催化劑的推廣使用[2]。從整體式催化劑中涂層性質(zhì)的影響因素以及高上量、高牢固度涂層的獲得方法及所制得整體式催化劑操作條件和適用范圍的考察。

1 實(shí)驗(yàn)部分

本實(shí)驗(yàn)采用堇青石為基體制備整體式催化劑。

1.1 堇青石樣品的制備

采用市售 200 目堇青石蜂窩陶瓷?；钚栽u(píng)價(jià)用樣品：直徑52 mm，高50 mm 的圓柱型載體；用于涂層性質(zhì)考察的樣品：40 mm×40 mm×48 mm 的小塊[3]。

1.2 漿液的制備及涂層的涂覆

如無(wú)特別說(shuō)明，實(shí)驗(yàn)中活性評(píng)價(jià)用到的 Al2O3 涂層均按照以下步驟制得： 將 Al2O3、擬薄水鋁石粉按一定比例放入裝有氧化鋯小球的球磨罐中，添加適量的硝酸溶液，漿液固含量為 30%，在滾壇機(jī)上滾動(dòng)球磨 6 h 即可得到涂覆用的氧化鋁漿液。將堇青石樣品浸沒(méi)在漿液中 3 min 后取出，使用壓縮空氣對(duì)堇青石表面及孔道內(nèi)部進(jìn)行吹掃，吹出多余漿液，確認(rèn)無(wú)孔道阻塞后，將其放置在空氣中風(fēng)干，然后在 120 ℃干燥 4 h，以 2 ℃/min 的升溫速率升溫至 500 ℃下焙燒 5 h，得到 Al2O3/堇青石載體[4]。

如無(wú)特別說(shuō)明，實(shí)驗(yàn)中活性評(píng)價(jià)用到的 TiO2 涂層均按照以下步驟制得： 將擬薄水鋁石、分散劑、硝酸溶液按一定比例混合后，使用磁力攪拌器攪拌 2 h 后得到鋁溶膠，將切成柱狀的堇青石樣品浸沒(méi)在用上述方法制得的鋁溶膠中，3 min 后取出，使用壓縮空氣將殘余在蜂窩孔道內(nèi)的漿液吹出，放在空氣中風(fēng)干，然后在 120 ℃干燥 4 h，以 2 ℃/min 的升溫速率升溫至 500 ℃下焙燒 5 h，得到一次涂覆的樣品[5]。將納米 TiO2、硝酸溶液以一定比例混合后攪拌 2 h，加入鋁溶膠并繼續(xù)攪拌 30 min 后得到二次涂覆所用的 TiO2 漿液，重復(fù)上述的涂 覆、風(fēng)干、烘干以及焙燒過(guò)程，可得到所用的 TiO2/堇青石載體。

活性組分的負(fù)載根據(jù)樣品吸水量并配成等量浸漬液，用滴管將浸漬液均勻的滴在載體上。所得樣品在室溫下放置一天，之后在 120℃下干燥 4 h，程序升溫至 500 ℃焙燒 5 h，得到負(fù)載貴金屬 Pt 的活性評(píng)價(jià)用樣品[6]。

漿液及涂層性質(zhì)的考察漿液的粘度數(shù)據(jù)由美國(guó) BROOKFIELD 公司生產(chǎn)的 LVDV-ⅢU 型流變儀測(cè)定，采用 LV 3 轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為 15 r/min，數(shù)據(jù)采集間隔為 1 s/個(gè)，測(cè)定時(shí)間為2 min；漿液的 pH 值由 FE20K 型 pH 計(jì)測(cè)定；漿液的平均粒度和粒徑分布漿液涂覆后的涂層上量由公式（1）計(jì)算。

涂覆涂層牢固度的考察步驟如下：將待測(cè)定的樣品放置在燒杯中，加水至液面沒(méi)過(guò)待測(cè)樣品的頂部，開(kāi)啟超聲波清洗器，用超聲振蕩 4 h 后取出樣品，然后 120 ℃干燥 2 h，之后程序升溫至 300 ℃焙燒 2 h，稱重，按下列公式（2）計(jì)算涂層的振蕩脫落率。

2 催化劑活性評(píng)價(jià)

2.1 催化燃燒評(píng)價(jià)裝置

催化劑活性評(píng)價(jià)在小型固定床催化燃燒裝置上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖1 所示。微量進(jìn)樣器將苯或其他液態(tài)有機(jī)物以一定速率緩慢抽入到蒸發(fā)器中蒸發(fā)成氣體，并被經(jīng)過(guò)的的 N2 載氣帶入到緩沖罐中與空氣均勻混合，接著混合氣體進(jìn)入到預(yù)熱器中被加熱到指定溫度后在催化反應(yīng)器中完成反應(yīng)，反應(yīng)后的尾氣放空。催化反應(yīng)反應(yīng)器采用不銹鋼管，反應(yīng)器內(nèi)徑為 54 mm，整體式催化劑外層包裹耐熱棉，以減小死體積。反應(yīng)溫度由在反應(yīng)器中接近催化劑床層處的熱電偶測(cè)得，實(shí)驗(yàn)通過(guò)設(shè)定預(yù)熱器的加熱溫度來(lái)間接控制反應(yīng)器進(jìn)口溫度，控制反應(yīng)器入口溫度的偏差在 1 ℃以內(nèi)。在催化劑在進(jìn)行活性評(píng)價(jià)前催化劑首先在 300 ℃、苯濃度 3 g/m3下活化 2 h 后，再降至反應(yīng)溫度進(jìn)行活性評(píng)價(jià)。待反應(yīng)器溫度穩(wěn)定時(shí)，使用采樣袋將反應(yīng)器進(jìn)出口氣體采出。采出氣樣使用J.U.M.便攜式總烴分析儀分析測(cè)定總烴，所用 H2壓力為 0.15 MPa。實(shí)驗(yàn)過(guò)程 中涉及氣體的組成分析部分在美國(guó) Thermo 公司生產(chǎn)的 DSQ 單四極桿氣相色譜 質(zhì)譜聯(lián)用儀上完成，離子源溫度離子源溫度 200 ℃，全掃描，掃描范圍 12～250。

2.2 數(shù)據(jù)處理

總烴為碳?xì)浠衔锏目偡Q，本實(shí)驗(yàn)中主要根據(jù)總烴去除率衡量催化劑的活性，總烴去除率經(jīng)由下式進(jìn)行計(jì)算：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 整體式貴金屬催化劑的性能研究

整體式催化劑由于其本身的特殊結(jié)構(gòu)，適合在高空速、大處理量的場(chǎng)合中使用，而不會(huì)產(chǎn)生太高的壓降，在環(huán)保工業(yè)和化學(xué)工業(yè)中的廢氣處理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。整體式催化劑已成功應(yīng)用于處理 VOCs，如在汽車三效催化劑中處理汽車尾氣中的苯及其他有機(jī)物。日本等國(guó)家在整體式催化劑用于催化燃燒處理 VOCs 領(lǐng)域已有許多專利，華魯恒升設(shè)計(jì)院生產(chǎn)的催化燃燒催化劑也在我國(guó)煤化工行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用[7]。目前商用的催化燃燒所用的活性組分多為含 Pt、Pd 貴金屬催化劑，雖然目前開(kāi)發(fā)出了部分復(fù)合氧化物催化劑擁有媲美貴金屬催化劑的催化活性，但此類催化劑的應(yīng)用范圍較窄，一般只針對(duì)單一物質(zhì)存在較高的活性，實(shí)際應(yīng)用中貴金屬催化劑仍占據(jù)著市場(chǎng)的主流。本課題針對(duì)負(fù)載貴金屬 Pt 的堇青石蜂窩催化劑進(jìn)行簡(jiǎn)單的制備條件及工藝條件考察。

3.2 不同涂層整體式催化劑

為了描述的方便，本章中以 Cor 表示堇青石（Cordierite）蜂窩載體。實(shí)驗(yàn)考察的整體式催化劑的組成和性質(zhì)如表1所示，這些催化劑在反應(yīng)空速25 000 h-1，原料氣中的苯濃度為 1 600～2 000 mg/m3 的條件下催化活性隨反應(yīng)溫度的變化見(jiàn)圖2。

總烴濃度 1 600 mg/m3，體積空速 25 000 h-1

由圖2 可知，Al2O3/Cor 和 TiO2/Cor 擔(dān)載貴金屬 Pt 組分后，在 180～280 ℃溫度范圍內(nèi)總烴去除率提高明顯，其活性排列順序如下：Pt/CZ-Al2O3/Cor>Pt/TiO2/Cor>Pt/CZ-TiO2/Cor>Pt/Al2O3/Cor。在涂層中引入鈰鋯粉后 Pt/Al2O3/Cor催化劑的活性有了明顯的提高，180 ℃時(shí)的總烴去除率由 71.87%提高到了 92.14%，這表明添加鈰鋯粉可以增強(qiáng)其氧化還原能力，提高催化劑對(duì)燃燒反應(yīng)的催化活性。而 Pt/TiO2/Cor 在添加鈰鋯粉后的催化活性變化并不明顯[8，9]。

3.3 制備過(guò)程對(duì)催化劑性能影響

采用過(guò)量浸漬法制備貴金屬整體式催化劑，將涂覆涂層的堇青石樣品直接浸沒(méi)在一定濃度氯鉑酸水溶液中，貴金屬負(fù)載量可通過(guò)調(diào)整浸漬時(shí)間和浸漬液濃度進(jìn)行控制[10-12]。以浸漬液濃度為 Pt 5 g/L，浸漬時(shí)間為 1 min 和 3 min 為條件制備了兩種整體式催化劑并與等量浸漬法制得整體式催化劑進(jìn)行比較。由于貴金屬負(fù)載量較小，由稱重所得到的 Pt 的負(fù)載量可能存在較大誤差，參考中華人民共和國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn) HJ509-2009 對(duì)制得的催化劑中 Pt 含量進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)為便于與之前的結(jié)果比較，催化劑中的 Pt 含量按 mg/g 來(lái)表示，所得結(jié)果如表2 所示，活性評(píng)價(jià)結(jié)果如圖3。

由表2 數(shù)據(jù)可知，采用過(guò)量浸漬法制備貴金屬整體式催化劑，浸漬時(shí)間不同，所得催化劑的負(fù)載量也有較大差異，增加浸漬時(shí)間可以提高催化劑中活性組分的負(fù)載量。由圖3的反應(yīng)數(shù)據(jù)可知，采用過(guò)量浸漬法制得催化劑的活性較等量浸漬制得催化劑的活性略高。延長(zhǎng)浸漬時(shí)間，貴金屬負(fù)載量增加，催化活性也隨之提高。過(guò)量浸漬法制得的催化劑雖然具有表面均勻性好的特點(diǎn)，但其制備過(guò)程控制因素較多，如浸漬液濃度、浸漬時(shí)間、浸漬液吹掃時(shí)間等因素均會(huì)對(duì)制得催化劑的負(fù)載量造成一定的影響，而上述條件難以保持完全一致，故催化劑制備仍采用等量浸漬法制備以控制催化劑的負(fù)載量相同。

在考察的 180～280 ℃溫度范圍內(nèi)，不同涂層催化劑的活性排列順序如下：Pt/CZ-Al2O3/Cor> Pt/TiO2/Cor > Pt/CZ-TiO2/Cor > Pt/Al2O3/Cor。對(duì)整體式催化劑的工藝條件進(jìn)行考察，當(dāng)反應(yīng)空速在 20 000～25 000 h-1 范圍內(nèi)時(shí)總烴去除率變化并不明顯，反應(yīng)空速提高到 40 000 h-1，Pt/Al2O3/Cor 上總烴去除率的下降明顯，而Pt/CZ-Al2O3/Cor、Pt/TiO2 /Cor、Pt/CZ-TiO2/Cor 上的總烴去除率的降幅相對(duì)較小。針對(duì)活性較好的 Pt/CZ-Al2O3/Cor 催化劑，研究其對(duì)不同進(jìn)料組分的處理效果， Pt/CZ-Al2O3/Cor 催化劑對(duì)芳香烴和環(huán)己烷均表現(xiàn)出較高的催化活性，而催化劑對(duì)氯苯的催化燃燒效果較差。催化劑的熱穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 Al2O3 涂層催化劑的熱穩(wěn)定高于 TiO2 涂層催化劑。Pt/CZ-Al2O3/Cor 有最高的熱穩(wěn)定性，鈰鋯粉的加入有助于提高催化劑熱穩(wěn)定性， 使催化劑在較高的溫度范圍仍能繼續(xù)維持較高的活性。

4 結(jié) 論

本研究以開(kāi)發(fā)能在低溫下去除揮發(fā)性有機(jī)物的貴金屬催化劑為研究目的，以“三苯”廢氣中的主要污染物為主要處理對(duì)象，分別從不同角度研究了顆粒狀催化劑和整體式兩種類型的催化劑催化性能和制備條件。研究結(jié)果如下：

整體式催化劑的活性評(píng)價(jià)及性能考察。首先制備以 Al2O3 和 TiO2 為涂層的堇青石基涂層蜂窩催化劑，考察涂層漿液中鈰鋯粉的加入對(duì)兩類催化劑性能的影響，優(yōu)選出活性較高的整體式催化劑，并對(duì)整體式催化劑的工藝條件進(jìn)行研究。不同涂層催化劑的活性排列順序如下：Pt/CZ-Al2O3/Cor> Pt/ TiO2 /Cor> Pt/CZ-TiO2/Cor>Pt/Al2O3/Cor?？疾觳煌账傧滤么呋瘎┑男阅?，Pt/ CZ-Al2O3/Cor 的活性受空速影響較小，在 T90 附近的 180 ℃，空速由 20 000 h-1增加到 40 000 h-1，催化活性僅下降 2.28%。不同進(jìn)料條件下的活性考察結(jié)果顯示，Pt/CZ-Al2O3/Cor 的對(duì)其他芳烴（甲苯、二甲苯）以及烷烴（環(huán)烷烴）也具有較高的催化活性，但其對(duì)氯苯的催化活性較低。對(duì)催化劑進(jìn)行熱處理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，含有鈰鋯粉的催化劑熱穩(wěn)定性較好，其中 Pt/CZ-Al2O3/Cor 具有最高的熱穩(wěn)定性。

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