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铜基脱硝催化剂的中毒与改良

北极星大气网  来源:《知识-力量》  作者:宋晓敏  2020/8/10 13:30:42  我要投稿  

北极星大气网讯:摘要:铜基催化剂在中低温脱硝领域中表现出良好的应用潜力。但极少有实际运用。本文分析了各类因素对铜基脱硝催化剂的毒化机理。并总结部分催化剂改良方法,以期为开发具有实际应用能力的脱硝催化剂提供依据。

1引言

铜基催化剂在中低温NH3-SCR脱硝反应中具有良好的催化性能,但烟气中的SO2、水蒸气及重金属等将会对铜基催化剂的催化性能有较大的影响,但在实际中,烟气中将会不可避免地含有此类物质,因此,提高催化剂抗毒化性是优化催化剂催化性能的关键。

2水蒸气及二氧化硫(SO2)对铜基催化剂的毒化作用及催化剂改良

烟气中存在的水蒸气在中低温条件下对铜基脱硝催化剂活性有较强的抑制作用,一方面,水蒸气在催化剂表面形成水膜,抑制反应物的吸附,降低催化剂活性[1];另一方面,有学者对NH3-SCR反应机理进行研究,在中低温条件下,反应遵循L-H机理,H2O与NH3在催化剂表面竞争吸附,降低催化剂活性,为可逆作用;水蒸气在表面化学吸附,形成成羟基位点(-OH),降低活性酸位点数目,不可逆失活[2]。烟气管道中存在的SO2是造成铜基催化剂失活的另一重要原因。SO2对SCR脱硝催化剂的影响具有两面性。低浓度的SO2可以增强催化剂的表面酸性,有利于催化反应的进行;但在低温条件下,SO2会在O2及烟气中水蒸气的参与下,与还原剂或活性组分相互反应,生成硫酸盐,覆盖活性位点甚至造成催化剂堵塞[3]。杜学森[4]探究了烟气中存在的水蒸气对于铜基催化剂活性的影响,实验现象表明,在低温条件下,水蒸气的存在对催化剂活性有抑制作用,但在高温条件下,系统中水蒸气的存在会增强催化剂的催化活性。与前人的研究结果相吻合。有研究表明,在催化剂中掺杂某些稀土金属组分可以增加催化剂表面酸性位点的数目,提高催化剂的氧化还原能力,从而降低水蒸气及SO2对催化剂的毒化作用[5]。Gao[6]等人对通过掺杂CuSO4对铈基催化剂进行改良,发现,催化剂中Cu的掺杂增强了催化剂的抗硫抗水能力。Wang[7]等制备了金属有机框架铜基脱硝催化剂,研究其性能,发现Cu-MOF催化剂对于二氧化硫有较好的耐性,在170℃时,通入SO2,其NO脱除效率仍高达75%以上,性能显著优于目前市场上常见的钒钨钛商业脱硝催化剂。因此,为提高催化剂的抗硫抗水性能,可以考虑在催化剂中引入新的组分如稀土元素来增强催化剂的抗性,也可通过对催化剂自身结构的优化来降低二氧化硫及水蒸气对催化剂的毒化作用,此外,对于负载型铜基催化剂,载体改性也是一种有效的提高催化剂性能的措施。

3金属对铜基催化剂活性的影响的毒化作用及催化剂改良

多数烟气中存在多种金属物质,如K、Ca、Pb、As等,对于催化剂的催化脱硝性能有极大的毒化作用。某些金属氧化物除了造成催化剂孔道堵塞从而减少催化剂酸性位点外,还会由于其碱性,造成催化剂酸性降低,与SO2反应生成硫酸盐,降低催化剂活性位点数目,导致催化剂中毒[1]。杨文志[13]等研究了K2O对铜铝基催化剂催化的的毒化作用,并通过添加助剂对催化剂性能进行改进,研究结果表明,K2O对催化剂的毒化作用随K2O含量的增加而增加,同时,CeO2助剂的添加能够部分抵消K2O对催化剂的毒化作用。如今对于如何降低烟气中金属物种对铜基脱硝催化剂的毒化作用的研究尚不成熟,需要进一步研究。

4结语

综上所述,铜基催化剂在中低温脱硝领域中具有出色的应用潜力,但是其抗水抗硫性以及烟气管道内存在的各类杂质,如酸性气体,金属及金属盐类对催化剂有着强烈的毒化作用,以及催化剂在应用中的常见问题如尘粒,催化剂磨损等对催化剂活性及使用寿命的消极影响,抑制了铜基催化剂的实际应用。因此,开展对铜基催化剂中毒性能机理的研究及催化剂性能的改良十分重要。此外,采用适当的方式对中毒后催化剂进行再生也十分有必要。

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