Cu-Ce/ZSM-5催化烟气脱硫脱硝的性能研究

2017-10-13陈小瓜太原师范学院化学系山西晋中030619

化工管理 2017年26期

陈小瓜（太原师范学院化学系，山西晋中030619）

陈小瓜（太原师范学院化学系，山西晋中030619）

本文采用浸渍法制备了Cu-Ce/ZSM-5系列催化剂，用于烟气脱硫脱硝实验，通过XRD、BET等进行结构表征，通过微型反应装置和烟气分析仪进行性能评价。结果表明，CeO2的掺入有利于CuO在ZSM-5分子筛上的负载；系列催化剂中负载量为Cu∶Ce=1∶1的Cu-Ce/ZSM-5催化剂性能最好，比表面积达到186.3m2/g，T90%SO2为570℃，T90%NO为540℃。

烟气；脱硝脱硫；催化剂

工业烟气中的二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOX）是当代社会危害较大、波及范围较广的主要大气污染物，未经净化处理的烟气不仅会引起酸雨、诱发光化学烟雾、破坏臭氧层、污染环境，还会危害人体呼吸系统，进而损害人类的身体健康。近年来，随着大众节能环保意识的提高，传统的单独脱硫、脱硝技术成本过高、效率偏低，难以满足当前燃煤工业节能减排的要求，因此，急需研发一种可以高效催化CO同时脱硫脱硝的催化剂，探索一条绿色、节能、高效的工业联产工艺。本文选取ZSM-5分子筛为载体，CuO为活性组分，掺入一定量的CeO2，采用等体积浸渍法制备了系列金属氧化物复合催化剂，通过XRD、BET等手段进行了物化结构表征，并在常压固定床石英管反应器中考察了其催化脱硫脱硝的性能。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

仪器：X光衍射仪、物理化学吸附仪、工业烟气分析仪、微型反应装置。

试剂：硝酸铜、硝酸铈、硝酸、无水乙醇、ZSM-5分子筛。

1.2 催化剂制备

称取20g经过干燥脱水的ZSM-5分子筛置于烧杯中，缓慢地滴加去离子水，直到水浸过ZSM-5分子筛无过剩，确定出ZSM-5分子筛的水饱和吸附量。然后，根据实验设计，称取一定配比的硝酸铜、硝酸铈融入上述可以饱和吸附ZSM-5分子筛的等量去离子水中，再将20g经预处理过的ZSM-5分子筛浸渍在配置好的金属硝酸盐溶液中，于室温下静置1d，抽滤、洗涤、烘干，然后在马弗炉中程序升温，于500℃下焙烧5h，放入干燥器内备用。

1.3 催化剂结构表征

XRD采用X'Pert Pro MPD型X射线粉末衍射仪，测试参数：Cu靶Kα辐射源(λ=0.15418 nm)，2θ扫描范围为15°～80°，扫描速率为4°/min；BET采用ASAP-2020全自动物理化学吸附仪，先将样品在氦气环境中300℃下恒温吹扫2h，然后在-196℃下用氮气进行吸附实验，比表面积用BET法计算。

1.4 脱硫脱硝性能评价

催化烟气脱硫脱硝实验在常压固定床石英管反应器中进行，催化剂粒度40～60目，装填量1g。反应条件：用石英砂将催化剂床层固定于反应装置的恒温段，以流量200mL/min的速率通入模拟烟气（NO:SO2:CO=1:2:5），采用程序升温控制系统调节反应体系温度，升温速率2℃/min，温度范围400℃～700℃，使用E-Inst E8500工业烟气分析仪在线监测催化反应尾气。

2 结果与讨论

2.1 XRD表征分析

将上述5种催化剂的XRD图与标准图谱对比，1-5号图中2θ为7.83°、22.8°、23.4°附近均出现强峰，表明负载铜铈活性组分后，ZSM-5分子筛结构并未改变；2θ为35.6°、38.4°、45.3°附近出现了CuO的特征衍射峰，2θ为28.3°、47.5°、32.8°附近出现了CeO2的特征衍射峰，表明催化剂中同时存在CuO、CeO2两种活性组分；而且2-4号图可以看出，随着CeO2含量增加，CuO峰面积逐渐增大，表明铈可以促进铜在ZSM-5分子筛上的负载，从而提高催化性能。

2.2 BET表征分析

使用物理化学吸附仪测得5种催化剂的比表面积分别为167.5m2/g、175.8m2/g、186.3m2/g、178.2m2/g、170.1m2/g，可见，随着CeO2负载量的增加，铜铈复合催化剂比表面积总体呈现先增大后减小的形态，这表明掺入适量的CeO2有助于改善ZSM-5分子筛的孔道结构，有利于CuO的负载，而过量的CeO2晶粒又可能堵塞催化剂孔道，从而导致催化剂比表面积下降。

2.3 催化性能评价

图1、图2分别比为Cu-Ce/ZSM-5系列催化剂催化脱硫脱硝的效果图。

由图1看出，随着温度升高，SO2的转化率先升高后趋于稳定。当反应温度达到625℃时，系列催化剂催化烟气脱硫效果均达到最佳状态，温度继续上升，催化脱硫效果提升并不明显，负载Cu:Ce=1:1的铜铈复合催化剂脱硫性能最优，T90%SO2为570℃。由图2看出，随着温度升高，NO的转化率也先升高后趋于稳定。当反应温度达到600℃时，系列催化剂催化烟气脱硝效果即达到最佳状态，负载Cu:Ce=1:1的铜铈复合催化剂脱硝效果也最佳，T90%NO为540℃。