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OMS-2催化氧化替代燃料车排放的非常规污染物

作　者: 王仁虎
导　师: 李俊华
学　校: 清华大学
专　业: 环境科学与工程
关键词: 替代燃料车乙醇醛类低温氧化 OMS-2催化剂
分类号: TQ426.96
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

发展可再生燃料是能源和环境的战略布局,生物乙醇和生物柴油是两种主要的生物燃料产品,已经推广应用于机动车燃料。生物燃料在机动车上的使用会急剧增加醇类、醛类等非常规污染物的排放量,而传统的三效催化转化器对醇类醛类的催化净化效率低,开发研究针对乙醇汽油车和生物柴油车尾气排放的醇类醛类等非常规污染物的后处理催化剂成为必然。本文模拟机动车尾气的排放特征,开展低温氧化型锰基催化剂(OMS-2)的研制及其催化机理的研究。利用比表面积测试(BET)、X射线衍射(XRD)以及X射线光电子能谱(XPS)等方法对催化剂进行了表征,结合催化剂活性分析了催化剂结构对醇类醛类氧化反应的影响,并探讨了OMS-2氧化乙醇的反应机理。主要创新性研究成果如下:OMS-2催化剂具有良好的低温醇类醛类氧化性能。其中,以硫酸锰为前驱体制备的催化剂具有最好的活性,分别在140℃,160℃和120℃完全氧化乙醇、乙醛和甲醛。OMS-2催化剂具有较好的抗水性,水蒸气对催化活性的抑制作用是可逆的。SO2气体通过与Mn-O键强烈的化学反应导致催化剂缓慢不可逆的失活。制备的OMS-2催化剂属于隐钾锰矿结构,呈现棒状的微观形貌,直径在10～30 nm之间。OMS-2催化剂具有较强的酸性,以Lewis酸位为主,改变催化剂的酸性对活性没有促进作用。OMS-2催化剂的晶格氧在醇类醛类氧化过程中起着重要作用,较高的晶格氧活泼性和含量有利于催化反应的进行。OMS-2催化剂中Mn-O键的强弱对醇类醛类的催化活性起到决定性的作用。Mn-O键的键能越弱,催化剂的晶格缺陷越多,晶格氧活泼性越强,催化活性越好。乙醇在OMS-2催化剂上的氧化经过中间物种乙醛和甲醛直接生成二氧化碳,不经过乙酸途径。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章前言  9-24
  1.1 引言  9-12
    1.1.1 车用替代燃料的发展  10-11
    1.1.2 车用替代燃料在国内外的发展  11-12
  1.2 车用生物燃料  12-15
    1.2.1 我国车用生物燃料的发展  13
    1.2.2 乙醇汽油车尾气的排放特征  13-14
    1.2.3 生物柴油车尾气的排放特征  14-15
  1.3 醇类醛类氧化催化剂的研究进展  15-22
    1.3.1 贵金属催化剂  16-19
    1.3.2 金属氧化物催化剂  19-22
  1.4 本研究的目的、意义和内容  22-24
    1.4.1 研究目的和意义  22
    1.4.2 研究内容和技术路线  22-24
第2章实验系统和方法  24-34
  2.1 实验试剂和药品  24
  2.2 实验主要仪器设备  24-25
  2.3 催化剂的制备方法  25-26
    2.3.1 回流法制备 OMS-2 催化剂  25
    2.3.2 浸渍法制备负载不同金属元素的 OMS-2 催化剂  25-26
    2.3.3 浸渍法制备硫酸化的OMS-2 催化剂  26
  2.4 催化剂活性评价系统和方法  26-29
  2.5 催化剂表征方法  29-34
    2.5.1 比表面积测试（BET）  29-30
    2.5.2 X 射线衍射测试（XRD）  30
    2.5.3 X 射线光电子能谱测试（XPS）  30-31
    2.5.4 热重测试（TGA）  31
    2.5.5 透射电子显微镜测试（TEM）  31
    2.5.6 激光拉曼测试（Laser Raman）  31-32
    2.5.7 程序升温脱附测试（TPD）  32
    2.5.8 吡啶红外测试（Pyridine-IR）  32-33
    2.5.9 原位红外测试（In-situ DRIFTS）  33-34
第3章 OMS-2 催化氧化乙醇的性能及机理研究  34-57
  3.1 引言  34
  3.2 实验设计  34-35
  3.3 不同负载金属元素对OMS-2 催化剂活性的影响  35-37
  3.4 OMS-2 催化剂的表征  37-48
    3.4.1 催化剂的物理参数  37
    3.4.2 X 射线衍射（XRD）  37-38
    3.4.3 透射电子显微镜（TEM）  38-40
    3.4.4 X 射线光电子能谱（XPS）  40-43
    3.4.5 热重（TGA）  43-44
    3.4.6 吡啶红外（Pyridine-IR）  44-46
    3.4.7 程序升温脱附（NH3-TPD）  46-48
  3.5 OMS-2 催化剂催化氧化乙醇的机理研究  48-55
  3.6 本章小结  55-57
第4章前驱体和硫酸化对 OMS-2 催化性能的影响  57-82
  4.1 引言  57
  4.2 实验设计  57
  4.3 前驱体和硫酸化对OMS-2 催化剂活性的影响  57-62
  4.4 OMS-2 催化剂的表征  62-70
    4.4.1 催化剂的物理参数  62
    4.4.2 X 射线衍射（XRD）  62-63
    4.4.3 X 射线光电子能谱（XPS）  63-65
    4.4.4 热重（TGA）  65-66
    4.4.5 激光拉曼（Laser Raman）  66-67
    4.4.6 程序升温脱附（NH3-TPD）  67-68
    4.4.7 不同前驱体和硫酸化制备的OMS-2 催化剂表征小结  68-70
  4.5 反应条件及焙烧温度对OMS-2(S)催化活性的影响  70-81
    4.5.1 OMS-2(S)在乙醇氧化反应中的抗水性能  70-72
    4.5.2 OMS-2(S)在乙醇氧化反应中的抗硫性能及中毒机理  72-75
    4.5.3 OMS-2(S)在乙醇氧化反应中的同时抗水抗硫性能  75-77
    4.5.4 空速对OMS-2(S)氧化乙醇活性的影响  77-78
    4.5.5 OMS-2(S)氧化乙醇的稳定性  78-79
    4.5.6 焙烧温度对OMS-2(S)氧化乙醇活性的影响  79-81
  4.6 本章小结  81-82
第5章结论与建议  82-84
  5.1 结论  82-83
  5.2 建议  83-84
参考文献  84-92
致谢  92-93
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  93

OMS-2催化氧化替代燃料车排放的非常规污染物

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