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离子掺杂Cu-ZSM-5分子筛催化剂直接分解NO的实验研究

作　者: 张婧婧
导　师: 钟秦；曲虹霞
学　校: 南京理工大学
专　业: 化学工艺
关键词: NO直接分解 Cu-ZSM-5 不同离子交换 耐氧性 宏观动力学
分类号: O643.36
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 121次
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内容摘要


Cu-ZSM-5分子筛催化剂是迄今为止发现的中温直接分解NO体系中活性最佳的催化剂。论文结合XRD、ICP和SEM等表征手段，在固定床反应器上对催化剂脱硝活性进行评价，研究了催化剂的制备方法、金属离子掺杂、助催化剂等对Cu-ZSM-5催化剂活性的影响，确定了适宜的制备条件；通过研究反应温度、空速、氧含量的影响，确定了适宜的反应条件，并对催化剂进行宏观动力学研究。催化剂制备过程中，Cu离子交换液最佳浓度为0．011mol/L，Cu负载量随离子交换次数的增加而提高，在无氧条件下600℃时，3次交换与1次交换的Cu-ZSM-5的脱硝率同时达到最高值，相差5％。金属离子Ag+和Ce3+的引入都能明显提高Cu-ZSM-5催化剂的活性，降低反应温度，负载方法都是离子交换法优于共混法和浸渍法。先交换Ag+后交换Cu2+为制备Ag-Cu-ZSM-5的最佳交换次序，在氧气含量为5％，320℃时脱硝率可达60％。而Ce3+和Cu2+同时交换为制备Ce-Cu-ZSM-5的最佳交换次序，330℃时脱硝率为61％。稀土离子Ce3+和La3+的掺杂，可提高催化剂耐氧性、拓宽反应温度，Cu-Ce-La-ZSM-5催化剂最高脱硝率为62％，活性温度范围为320℃-350℃，氧气含量为5％时，催化剂活性保持30h不变，可见Ce3+、La3+竞争吸附反应区的氧，解决了Cu-ZSM-5的“氧阻抑”问题。在Cu-Ce-La-ZSM-5催化剂中采用共混法加入质量分数为10％的CaH2，340℃时催化剂的脱硝率达到83％，SEM表明CaH2的加入可改善催化剂孔结构，有利于增大表面积、提高催化剂活性。Cu-Ce-La-ZSM-5反应宏观动力学结果表明，Cu-Ce-La-ZSM-5催化剂上NO分解的反应级数为2，指前因子A为1．21×105m3·s-1·mol-1，活化能Ea为37kJ/mol。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
1 前言  10-22
  1.1 课题的研究背景  10-12
    1.1.1 NO_X的来源  10
    1.1.2 NO_X的危害  10-11
    1.1.3 NO_X的污染状况及排放控制标准  11-12
  1.2 NO_X的排放控制技术  12-15
    1.2.1 燃烧控制技术  12-13
    1.2.2 烟气脱硝技术  13-14
    1.2.3 其它脱硝控制技术  14-15
  1.3 直接催化分解法的催化剂的研究进展  15-20
    1.3.1 贵金属催化剂  17-18
    1.3.2 氧化物催化剂  18-19
    1.3.3 金属分子筛催化剂  19-20
  1.4 本课题研究的内容  20-22
2 金属分子筛催化剂直接分解NO的理论基础  22-27
  2.1 分子筛的结构及特点  22-23
  2.2 Cu-ZSM-5的催化特性  23-24
  2.3 Cu-ZSM-5直接催化分解NO的反应机理  24-27
3 直接催化分解NO实验  27-34
  3.1 实验药品  27
  3.2 实验仪器  27-28
  3.3 催化剂的制备  28-29
    3.3.1 Cu-ZSM-5催化剂的制备  28
    3.3.2 Ag~+改性的Cu-ZSM-5催化剂的制备  28-29
    3.3.3 Ce~(3+)改性Cu-ZSM-5催化剂的制备  29
     3.3.4 Ce~(3+)、La~(3+)和Ag~+改性的Cu-ZSM-5催化剂的制备  29
    3.3.5 CaH_2修饰的Cu-Ce-La-ZSM-5催化剂的制备  29
  3.4 实验装置和实验流程  29-31
    3.4.1 催化反应装置  29-30
    3.4.2 实验步骤及流程  30-31
    3.4.3 NO_X的分析原理  31
  3.5 催化剂的表征  31-34
    3.5.1 X射线衍射(XRD)  31
    3.5.2 扫描电镜(SEM)  31-32
    3.5.3 NO的程序升温脱附(TPD)实验  32
    3.5.4 等离子体发射光谱仪(ICP)  32-33
    3.5.5 傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)  33-34
4 掺杂不同金属离子的Cu-ZSM-5催化剂脱除NO的活性研究  34-49
  4.1 Cu-ZSM-5催化剂脱硝反应活性的研究  34-37
    4.1.1 O_2浓度对Cu-ZSM-5催化剂活性的影响  34-35
    4.1.2 交换次数对Cu-ZSM-5催化剂活性的影响  35-36
    4.1.3 交换液浓度对Cu-ZSM-5催化剂活性的影响  36-37
  4.2 Ag~+掺杂Cu-ZSM-5催化剂脱硝反应活性的研究  37-40
    4.2.1 离子交换次序对Cu-Ag-ZSM-5催化剂的活性影响  38-39
    4.2.2 不同的制备方法制备Cu-Ag-ZSM-5对其活性影响  39-40
  4.3 Ce~(3+)掺杂Cu-ZSM-5催化剂脱硝反应活性的研究  40-42
    4.3.1 离子交换次序对Cu-Ce-ZSM-5催化剂活性的影响  40-41
    4.3.2 不同的方式引入Ce~(3+)对Cu-Ce-ZSM-5催化剂活性的影响  41-42
  4.4 Ce~(3+)、La~(3+)和Ag~+同时掺杂Cu-ZSM-5催化剂脱硝反应活性研究  42-46
    4.4.1 La~(3+)掺杂Cu-Ce-ZSM-5催化剂脱硝反应活性的比较  43
    4.4.2 Ag~+掺杂Cu-Ce-La-ZSM-5催化剂脱硝反应活性的研究  43-44
    4.4.3 Cu-Ce-La-ZSM-5与Cu-Ce-La-Ag-ZSM-5催化剂脱硝活性比较  44-45
    4.4.4 Cu-Ce-La-ZSM-5与Cu-Ce-La-Ag-ZSM-5催化剂寿命的比较  45-46
  4.5 加入助剂对Cu-Ce-La-ZSM-5催化脱硝反应活性的研究  46-49
    4.5.1 Cu-Ce-La-ZSM-5/10%CaH_2催化脱硝反应活性的研究  47
    4.5.2 不同的方式引入Ca~(2+)对催化剂活性的影响  47-49
5 对Cu-Ce-La-ZSM-5及掺杂助剂后的催化剂的表征与分析  49-57
  5.1 对Cu-Ce-La-ZSM-5催化剂的表征  49-53
    5.1.1 Cu-Ce-La-ZSM-5催化剂的红外光谱分析  49-50
    5.1.2 Cu-Ce-La-ZSM-5催化剂的XRD表征分析  50-51
    5.1.3 Cu-Ce-La-ZSM-5催化剂NO程序升温脱附谱图  51-53
  5.2 Cu-Ce-La-ZSM-5/10%CaH_2催化剂的表征  53-57
    5.2.1 Cu-Ce-La-ZSM-5/10%CaH_2催化剂的红外光谱分析  53-54
    5.2.2 Cu-Ce-La-ZSM-5/10%CaH_2催化剂的XRD表征分析  54-55
    5.2.3 Cu-Ce-La-ZSM-5/10%CaH_2催化剂的电镜扫描分析  55-56
    5.2.4 Cu-Ce-La-ZSM-5/10%CaH_2催化剂NO程序升温脱附谱图  56-57
6 Cu-Ce-La-ZSM-5分子筛脱硝反应的宏观动力学研究  57-67
  6.1 空速对催化剂脱硝率的影响  57
  6.2 反应级数的确定  57-65
  6.3 反应速率常数和平衡常数的确定  65-67
结论  67-69
致谢  69-70
参考文献  70-74

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中图分类: > 数理科学和化学 > 化学 > 物理化学（理论化学）、化学物理学 > 化学动力学、催化作用 > 催化 > 催化剂
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