陳小瓜(太原師范學院化學系,山西晉中030619)
Cu-Ce/ZSM-5催化煙氣脫硫脫硝的性能研究
陳小瓜(太原師范學院化學系,山西晉中030619)
本文采用浸漬法制備了Cu-Ce/ZSM-5系列催化劑,用于煙氣脫硫脫硝實驗,通過XRD、BET等進行結構表征,通過微型反應裝置和煙氣分析儀進行性能評價。結果表明,CeO2的摻入有利于CuO在ZSM-5分子篩上的負載;系列催化劑中負載量為Cu∶Ce=1∶1的Cu-Ce/ZSM-5催化劑性能最好,比表面積達到186.3m2/g,T90%SO2為570℃,T90%NO為540℃。
煙氣;脫硝脫硫;催化劑
工業(yè)煙氣中的二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOX)是當代社會危害較大、波及范圍較廣的主要大氣污染物,未經(jīng)凈化處理的煙氣不僅會引起酸雨、誘發(fā)光化學煙霧、破壞臭氧層、污染環(huán)境,還會危害人體呼吸系統(tǒng),進而損害人類的身體健康。近年來,隨著大眾節(jié)能環(huán)保意識的提高,傳統(tǒng)的單獨脫硫、脫硝技術成本過高、效率偏低,難以滿足當前燃煤工業(yè)節(jié)能減排的要求,因此,急需研發(fā)一種可以高效催化CO同時脫硫脫硝的催化劑,探索一條綠色、節(jié)能、高效的工業(yè)聯(lián)產(chǎn)工藝。本文選取ZSM-5分子篩為載體,CuO為活性組分,摻入一定量的CeO2,采用等體積浸漬法制備了系列金屬氧化物復合催化劑,通過XRD、BET等手段進行了物化結構表征,并在常壓固定床石英管反應器中考察了其催化脫硫脫硝的性能。
儀器:X光衍射儀、物理化學吸附儀、工業(yè)煙氣分析儀、微型反應裝置。
試劑:硝酸銅、硝酸鈰、硝酸、無水乙醇、ZSM-5分子篩。
稱取20g經(jīng)過干燥脫水的ZSM-5分子篩置于燒杯中,緩慢地滴加去離子水,直到水浸過ZSM-5分子篩無過剩,確定出ZSM-5分子篩的水飽和吸附量。然后,根據(jù)實驗設計,稱取一定配比的硝酸銅、硝酸鈰融入上述可以飽和吸附ZSM-5分子篩的等量去離子水中,再將20g經(jīng)預處理過的ZSM-5分子篩浸漬在配置好的金屬硝酸鹽溶液中,于室溫下靜置1d,抽濾、洗滌、烘干,然后在馬弗爐中程序升溫,于500℃下焙燒5h,放入干燥器內備用。
XRD采用X'Pert Pro MPD型X射線粉末衍射儀,測試參數(shù):Cu靶Kα輻射源(λ=0.15418 nm),2θ掃描范圍為15°~80°,掃描速率為4°/min;BET采用ASAP-2020全自動物理化學吸附儀,先將樣品在氦氣環(huán)境中300℃下恒溫吹掃2h,然后在-196℃下用氮氣進行吸附實驗,比表面積用BET法計算。
催化煙氣脫硫脫硝實驗在常壓固定床石英管反應器中進行,催化劑粒度40~60目,裝填量1g。反應條件:用石英砂將催化劑床層固定于反應裝置的恒溫段,以流量200mL/min的速率通入模擬煙氣(NO:SO2:CO=1:2:5),采用程序升溫控制系統(tǒng)調節(jié)反應體系溫度,升溫速率2℃/min,溫度范圍400℃~700℃,使用E-Inst E8500工業(yè)煙氣分析儀在線監(jiān)測催化反應尾氣。
將上述5種催化劑的XRD圖與標準圖譜對比,1-5號圖中2θ為7.83°、22.8°、23.4°附近均出現(xiàn)強峰,表明負載銅鈰活性組分后,ZSM-5分子篩結構并未改變;2θ為35.6°、38.4°、45.3°附近出現(xiàn)了CuO的特征衍射峰,2θ為28.3°、47.5°、32.8°附近出現(xiàn)了CeO2的特征衍射峰,表明催化劑中同時存在CuO、CeO2兩種活性組分;而且2-4號圖可以看出,隨著CeO2含量增加,CuO峰面積逐漸增大,表明鈰可以促進銅在ZSM-5分子篩上的負載,從而提高催化性能。
使用物理化學吸附儀測得5種催化劑的比表面積分別為167.5m2/g、175.8m2/g、186.3m2/g、178.2m2/g、170.1m2/g,可見,隨著CeO2負載量的增加,銅鈰復合催化劑比表面積總體呈現(xiàn)先增大后減小的形態(tài),這表明摻入適量的CeO2有助于改善ZSM-5分子篩的孔道結構,有利于CuO的負載,而過量的CeO2晶粒又可能堵塞催化劑孔道,從而導致催化劑比表面積下降。
圖1、圖2分別比為Cu-Ce/ZSM-5系列催化劑催化脫硫脫硝的效果圖。
由圖1看出,隨著溫度升高,SO2的轉化率先升高后趨于穩(wěn)定。當反應溫度達到625℃時,系列催化劑催化煙氣脫硫效果均達到最佳狀態(tài),溫度繼續(xù)上升,催化脫硫效果提升并不明顯,負載Cu:Ce=1:1的銅鈰復合催化劑脫硫性能最優(yōu),T90%SO2為570℃。由圖2看出,隨著溫度升高,NO的轉化率也先升高后趨于穩(wěn)定。當反應溫度達到600℃時,系列催化劑催化煙氣脫硝效果即達到最佳狀態(tài),負載Cu:Ce=1:1的銅鈰復合催化劑脫硝效果也最佳,T90%NO為540℃。
以ZSM-5分子篩為載體,CuO為活性組分,摻入適量CeO2可以促進CuO在ZSM-5分子篩上的負載。負載Cu:Ce=1:1的Cu-Ce/ZSM-5催化劑催化煙氣脫硫脫硝性能最好,比表面積為186.3m2/g,T90%SO2為570℃,T90%NO為540℃。
[1] 刁振恒.HZSM-5分子篩催化劑脫硫脫硝研究[D].長春工業(yè)大學,2011.
[2] 呂雷.煙氣脫硫脫硝一體化工藝設計與研究[D].長春工業(yè)大學,2012.