关于选择性还原脱硝中还原剂的研究进展
化学与黏合
2015年第37卷第1期
CHEMISTRYANDADHESl0N
SUMMAR亿AⅡ()NAND
SPBCIAI.(、0MMENT
关于选择性还原脱硝中还原剂的研究进展木
许振冲,吴
爽,周明东”
(辽宁石油化工大学化学与材料科学学院,辽宁捌颐113001)
摘要:氮氧化物会严重破坏环境和危害人体健康,所以减少NO。的排放很重要。选择性催化还原脱硝技术是世界上减少N0;排放的最有效方法之一,因此合适的还原剂与具有新颖组成和结构的脱硝催化剂已经成为催化剂材料领域的研究前沿和热点。综述了选择性还原脱硝中还原剂的脱硝机理及应用研究进展,探讨了该研究领域亟待解决的问题以及今后可能的发展前景。
关键宇:选择还原;还原剂;脱硝机理中图分类号:TQ426.96
文献标识码:A
文章编号:100l一0017(2015)01-0045—05
R鹤earchProgre蟠Onthe
Reduct柚t
inSdectiveReductionDeIlitratiOn
XU
Zhen—chong,WUShua“gaIldZHOUMing—dong
(coz如萨矿ckm拈£¨帆d肘疵诎sc话Me,L洒ni昭鼢i_Il抛‰口ers毋,凡坫^un
JJ30DJ,饥i,lⅡ)
Abstact:Thenitrogenoxidesdoes
ha咖to
tIleenvimnmentaIldhumanhealth,soit’sveryimponantto
reducetheN0。emission.rI'11eselective
catal”icreductiondenitmtiontechnologyis
one
0ft}Ie瑚osteffectiVe
w8ysto
IeducetheNO:enlissionintheworld.Therefore,anapPropriatereducing
agent
anddenitrationcatalystswithnovelcompositionandstmcturehavebecomea
hotspotofthecatalystmaterialare船.Itreviewsthedenitration
mechanismaJldapplicationofthereductantinselectivereductiondenitration,aIlddiscussestheresearchpmblenlsto
besolVed
as
weU
as
thedevel—
opmentpmspects.
Keywords:Selective
reduction;reduct帅t;denitrationmechaIlism
效果。自从1wamoto和Held【3】/J、组各自报道了在富
引言
氧条件下Cu—zSM一5催化剂上烷烃和烯烃能够选
择性的还原NO的现象后,打破了多年来人们一直氮氧化物包括NO、N20、N02、N203、N204、N205
认为NH,是唯一能选择还原氮氧化物的还原剂的
以及其它的N;Q,,这几种气体混合物常称为硝卿1’21。
观点,在研究氮氧化物的消除上有重要的意义。此后,氮氧化物在空气中性质不稳定,遇热或光容易转化各类还原剂选择催化还原NO的研究得到广泛的开
成NO或NO:,因此造成大气污染的氮氧化物主要是
展。目前,选择陛催化还原法所使用的还原剂主要分
NO和NO:,通常所说的N0。就是这二者的总称。氮为氨气、尿素、一氧化碳、烃类等。氧化物不仅能够引起人体病变更是形成酸雨、光化
学烟雾和破坏臭氧层的罪魁祸首,严重危害到人类1
氨气选择催化还原
生活和自然环境。因此,脱硝在现实生产中尤为重
要。选择性催化还原(SCR)脱硝技术是工业上应用
使用NH,作为还原剂选择还原NO用于消除
最广的脱硝技术之一,它是指在富氧气氛中,在催化固定源排放的N0。的工艺比较成熟,其反应机理如
剂的存在下使用还原剂优先与废气中的NOx反应
下:
并使其还原为N:的催化过程,尾气中未燃烧的烃
4NH3+4NO+02_斗4N2+6H20(1)
很少,而其中NO的浓度却相当高。因此,尾气中
4NH3+2N02+02_斗3N2+6H20(2)
N0的选择催化还原消除必然依靠外加还原剂完
8NH3+6N02_斗7N2+l2H20
(3)
成,还原剂与催化剂共同作用表现出了更好的脱硝
用NH,做还原剂的脱硝反应在含硫条件下具
收稿日期:2014—09—10
+基金项目:国家科技支撑项目(编号:2012BAF03800)
作者简介:许振冲(1988一),男,山东曲阜人,硕士研究生,从事汽车尾气净化催化剂的研究。
++通讯联系人:周明东(1980一),女,副教授,硕士生导师,从事稀散元素的研究,E—mail:mingdong.zhou@hotmail.com
万方数据
・46・
许振冲等,关于选择l生还原脱硝中还原剂的研究进展
有较高的活性和较长的使用寿命,反应温度低而且
选择性高。
李飞等人…在以各种还原剂与催化剂ce—P—O催化还原氮氧化物时研究发现,NH,更易于吸附在具有特殊表面酸陛的ce—P一0表面,其独特的酸性位更利于碱性气体氨气的活化,与酸性sO:气体存在吸附竞争,但氨气吸附在催化剂表面很难脱附,从而保
护了催化剂不易中毒,酸f生的SO:气体很容易从催
化剂表面脱附并与碱性气体氨气发生反应,因此氨气的加入很大程度上延长了催化剂使用寿命。
Qi等…用NH,做还原剂,增加了催化剂表面氧
的流动性,使催化低温活性有了显著提高,氨气表
现出了更强的还原性,当温度达到120℃时,NO;几
乎完全转化成N:。zhao等【6】以NH,为还原剂,cu—
ce0。一Mnx/g—A1:0,为催化剂在250~400℃脱硝效
率保持在90%以上,并得出NH,的加人增加了吸附样的活性位,促进了(1)、(2)步反应的进行,抑制了
N:O、NO:的生成,提高了催化剂的选择性的结论。
尽管氨气选择还原NO。已经形成工业化生产,
但在实际应用巾还存在以下缺点:
(1)NH,腐蚀管道、对管路设备的材质要求高和
造价昂贵成为限制NH,一SCR发展应用的主要原
因:
(2)在NH,一SCR的应用过程中,由于催化剂的烧结、碱金属及砷中毒、飞灰及钙的磨蚀会造成催
化剂钝化;
(3)NH,和No的比例要求精确控制在o.8~1.o
之间,才能达到较好的去除效果,过量或未反应的
氨容易造成二次污染。
因此,实际应用中可选用尿素作为氨源以达到
脱硝的目的,反应产物较为单一且无二次污染。
2尿素选择催化还原
由于其富氧条件脱硝效率高、反应温度范围
大,较高温度下仍具有较高活性,而且具有运行可
靠及安全性和实用性好的优点,所以尿素一氨转化系统成为控制烟气中N0、的首选方法。
wang等【71在研究Ga—A型分子筛上,用尿素选择性还原脱除废气中的N0,时,发现在富氧条件下用尿素处理过的Ga—A型分子筛能有效地脱除NO。,N0。的去除率可达92%,脱硝去除量可达70.6m∥h。尿素和Ca—A型分子筛共同使用时净化效率和脱除量明显高于单独使用Ga—A型分子筛。在微波辅助作
万方数据
用下分子筛催化剂与尿素发生了微波诱导,尿素微波分解产生的NH:与吸附在催化剂活性中心NO,、o反应生成N:,达到烟气脱硝的目的。
薛红丹等【8】以堇青石蜂窝陶瓷为载体,以cu—
NiO—Ce:O,为活性组分,以尿素为还原剂,选择催化还原氮氧化物,最高转化率接近70%,温度范围
最大,在423~623℃范围内催化活性都较高。当加入Cu2+、Ce“、Ni2+后促进了尿素的分解C0(NH:)b—屺O
+NH:’(玳表活性组分表面的吸附位)并促进了NH:从
气相扩散到催化剂吸附态No表面,NH:+与NO;反
应生成N2和H20:N0+NH2+O—N2+H20。
董国军等[9】采用Cu0为活性组分制备了不同硅铝配比的CuO/Si02一A1203/堇青石催化剂,对尿
素选择性还原氮氧化物(scR)的行为进行了研究。
结果表明,500℃时其催化还原能力仍然很高,氮氧
化物转化率达70%;150~400℃范围内的活性测试表明,活性最大为67.0%。
尿素水解对负荷的响应性比热解慢,且存在管道堵塞的可能,温度过高会有副反应的发生,过低会导致水解无法进行或者生成的氨气重新溶于水,
对催化剂的水热稳定j生要求也比较高。
3
C0选择还原去除氮氧化物
在燃料燃烧过程中和发动机尾气中不可避免
的会产生CO,在工业燃烧烟气中的cO的含量远高
于NO。因此,研究开发低温CO催化还原NO尤为
重要。它既可以通过反应将汽车尾气中两种浓度最
大有毒气体CO和N0转化成无毒无害C0:和N:,又可以节省使用还原剂的成本,是一种很有前景和研究意义的方法。其中C0还原N0的机理被普遍认为包括以下几个过程:分子吸附、N0的离解、表
面活性物种重排和产物脱附。吸附:CO(g)SCO(ads)
NO(g)SNO(ad8)
解离:NO(ads)_÷N(ads)+O(ads)
表面重排及脱附:2N(ads)一N:(g)
N(ads)+N0(ads)一NzO(g)CO(ads)+O(ads)—,C02(g)
2NO(ads)叶N2(g)+202(ads)
2NO(ads)—}N20(g)+02(ads)
N:O的解离:N:O(g)_N:0(ads)
N20(ads)—,N2+O(ads)
实验研究发现贵金属催化剂表现出很高的还
化学与黏合
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CHEMISTRYANDADHESION
47
原效率,并对于过渡金属在富氧条件下也具有很好的低温活性,且有一定的抗硫性能。
Prasanna
Dasari等人[101合成了Pt—Rh,Ba/A1203
催化剂,当温度超过200℃条件时,C0表现出了很高
的转化率和选择性,产物为达到70%氮气。贵金属对C0还原N0反应的相对活性一般遵循如下顺序:Ru>Rh>Pt>Pd,以铑作为活性组分能很有效地将
N0还原并且已被广泛应用于汽车尾气的转化器中。
Yi“u等…1以硫化态M0一c0/A1203为催化剂,在
350℃条件下得到的sO:和No的转化率都在95%以上。任晓光等112】用浸渍法制备的Fe20,一Cr20,厂riO:
催化剂,用CO做为还原剂具有较好的催化活性,
NO的转化率都达到了100%。其巾,10%Fe20,一2%Cr203厂riO:样品具有很好的低温活性。H厂rI’PR结果表明,这是因为10%Fe:O,一2%Cr203厂11iO:催化剂更易于被CO预还原。
PavaJli
M【13】等人用浸渍法以Tio:为载体,以过
渡金属(Mn,Cr,Fe,Ni)为活性组分制备的催化剂前体用来在富氧(浓度为2%)条件下,实验CO选择还原NO的催化性能,结果显示它显著地提高了富氧条件下四个百分点。
但是在过量水存在的前提下,当温度在l50~200cc时,C0催化还原氮氧化物受到限制。
4烃类选择还原氮氧化物
由于烃类气体具有良好的低温活性,尤其在富氧条件下更能表现出其较高的活性,而且造价很
低,因此被研究者广泛研究应用。
烃类选择还原氮氧化物反应机理:
NO++—'N0+NO+++—+N‘+O‘N++NL・N,
NO+O广N02
NO,++O,—÷N01。
C,H—L}C,H,+
C。H一02_+C02+H20/-C032_
C。H,+02/O’—+C菇Hy位+
NO。+C。Hp:4—+R—N02++R—ONO,
R—NO,+,R—ONO,++N0+C戈Hr斗一C0一NH—
R—N027R一0N02++N0+C。Hp;4_+一CO—NH一
一CO—NH一+NO+02—+N2+C02+H20注:此处(*)代表活性组分表面的吸附位。
万方数据
NO吸附在催化剂表面形成N。0,物种(吸附态
的NO:或硝酸盐),烃类被部分氧化为C姐n物种。
C;H,晓物种与N,O,物种生成含N的有机化合物(R一0N0或R—N0:),该反应中间体在催化剂表面上迅速生成NCO物种,NCO物种与N0+0:反应生成N:与CO:。
4.1
甲烷选择还原氮氧化物
甲烷储量丰富且分布广泛,远比其它烃类容易获得,同时,由于甲烷存在于大多数燃烧过程的尾气中,故用甲烷选择还原NO的过程无疑具有更加
广阔的实用前景和经济价值。
众多研究者发现甲烷在富氧条件下具有着很
高的选择性。
Piester等人[14研究报道了在富氧条件下,以zSM
一5,丝光沸石(MOR)为载体的co催化剂,以甲烷为还原剂对NO催化还原,甲烷与负载在沸石上的Co
催化剂表现出高活性和高选择性。其反应机理:(1)Co—zSM一5作为活性中心观察到cO“在zSM一5分子筛上有两种不同的落位。在c02+与zSM一5分子筛
中的Na+进行交换的过程中,先交换处于立体交叉位
上的Na+,很快达到平衡,交换到该位置上的C0“对富氧时甲烷还原N0。的作用不大;后交换处于通道
内的Na+,交换在该位置上的C02+是富氧时甲烷选
择还原NO,的活性中心。(2)NO和0:在活性中心上
共吸附生成NO。,当N0和O:共存时,在催化剂的活
性中心(Co—zSM一5)上生成吸附态的N0,(y≥2)物种是反应的首要步骤。这些活性物种可以归纳为
Co—ZSM一5一ONO,Co—ZSM一5一N02,Co—ZSM一5一N02-,Co—zsM一5一NOs+,Co—zSM一5一N0}等,实验巾观察
到C02+,c矿当引入cH。之后,这些物种的红外信号
强度并没有显著的改变,而NO和0:共存时,最终
能够稳定存在的是表面的N03+,该物种很容易与cH。反应。(3)N0与被吸附的烃分子生成表面中间物种一CN、一NCO最终生成N2、CO:/CO和H20【15】。
Ren等人【16】对根据甲烷的高选择性对催化剂
Cn—ZSM一5进行了改性,添加Zn来增强N0在催化
剂上的吸附性,同时借助程序升温进行还原。通过
光电子能谱等表征手段研究,发现zn的添加抑制了催化剂表面的体相co。o。的生成,降低了甲烷的
直接氧化,提高了甲烷对NO。的选择性,促进了NO:
的形成,增强了NO:在催化剂上的吸附性,在500℃转化率达到95%。
大量研究结果表明,低温不利于甲烷的活化,高温下甲烷易与氧气发生燃烧反应,氧气浓度增
。48。
许振冲等,关于选择JI生还原脱硝中还原剂的研究进展
大,容易促进甲烷的燃烧。反应温度区间窄和氧气浓度大时催化剂活性降低,这几种因素共同制约着催化剂在甲烷选择还原N0过程中的实际应用。因
此,要提高甲烷选择还原NO反应的转化率,必须引
入新的实验手段或者对催化剂进行改性。4.2丙烷选择还原氮氧化物
除甲烷以外丙烷也是天然气的主要成分,具有储量大易得的优点,而且研究发现它还具有一定的低温活性与高温活性,因此近年来也被用于脱硝方
面的研究。
I.salem等人fj71考察了在以丙烷为还原剂时焙
烧温度与~Al:O,脱硝性能的关系,当反应温度低
于300℃时,脱硝性能好,当反应温度高于400℃
时,脱硝性能比较差。Masahideshimokawabe等…】发现以Al:0,为载体的贵金属催化剂的催化反应,在通人以丙烷为还原剂后,当反应温度在200~300℃Ag的催化效果最好,N0转化率达到75%。
但后来Phuc等1191以丙烷为还原剂,Mn
Fe,BaO/
Al:0,为催化剂,在200~300℃加入时导致催化剂失
活,分析原因可能是H20与c,H8,No在Fe2+,Fe知,Mn“的竞争所致,II:0与Fe2+,Fen,Mn2+的结合能力要比NO和c,媳的结合能力强,但当反应温度为600℃时,促进N0转化为N03。,C。H8转化为cH,C00一,NO转化率达到60%。
4.3丙烯选择性还原氮氧化物
研究者发现丙烯具有较宽的高活性的温度区
间,并日萁具有在富氧条件下提高催化剂耐高温活
性和一定的水热稳定性的作用。
在丙烯催化还原氮氧化物时,被研究最多的是贵金属催化剂。王玉东等【20制备了具有高比表面积的氧
化铝负载的Pd—z棚:复合物催化剂(Pd—z抑2,A120,),少
量的Pd纳米粒子均匀分散于载体氧化铝上,在200~470。C可使NO的转化率达到50%。70%。其活
性提高的机制在于适量zrO:的添加增强了反应物
中NO和C,H。在催化剂表面的吸附,同时丙烯与
Pd催化剂形成一种协同催化作用。
由于贵金属成本较高不利于工业化生产,因此,研究者对催化剂进行改性。稀土元素的研究已经越来越受到人们的重视。郭锡坤等Ⅲ制备了镧改性
铜基铝铈交联蒙脱土催化剂La/Cu/S042-,AlCe—PILM,
研究了它在富氧条件下对丙烯选择还原N0的催化
性能,在500℃催化剂性能较佳,NO最大转化率由未加丙烯时的49.1%提高到加丙烯时的57.2%,在650cC反应时N0的转化率仍高达47.4%,镧物种和
万方数据
铜物种均呈分散状态,镧的引入可能促进了活性中
心Cu2+的氧化还原催化循环过程,从而提高了催化剂对丙烯选择还原NO反应的催化活性。顾等人又在原来基础上研究了丙烯在水汽含量高的条件下,
以ceO:为助剂,CuO/^y—Al:0,催化剂还原性能的影响,定量CeO:的添加,随着丙烯通人量的增加,
cuO/1一Al:O,催化剂有明显的助催化作用,明显提高了cu0/^y—A120,催化剂的水热稳定性。烃类在酸
性或者是碱性条件下,其选择性活性都受到很大影响。
5其他还原剂
乙醇、乙醚等也被研究者反复实验,并取得了很好的结果。6
结论
目前,低温汽车尾气选择性还原脱硝催化剂的研究已经成为热点。但是,想要使其应用到实际领
域,仍有几大问题有待解决:
(1)由于贵金属储量的日益匮乏,如何寻找其它低贵元素来替代贵金属催化剂是脱硝催化剂领
域所面临的一大挑战。
(2)如何拓宽催化剂的反应温度、提高水热稳
定性和还原剂之间的匹配规律是下一步研究的重点。
(3)虽然研究者们在实验室中制得了各种各样
的催化剂,但是其使用寿命较短,成为其实际应用
过程中的一大障碍,所以,能否找到一种还原剂来
提高催化剂的使用寿命是现在迫切需要解决的问
题。
(4)至今,没有系统的理论来解释不同催化剂与还原剂选择性催化性质的本质原因。
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theactivityanddurabilityofCo一
(上接第44页)
时,释放速率最小,农药的缓释性能更好。进行包覆,制备了吡虫啉缓释型农药,并且研究了
制备过程中不同因素对农药缓释性能的影响。测试
结果表明,农药的缓释性能随着包覆时间的增加而增大。三聚氰胺一甲醛预聚体对吡虫啉农药包覆的
最佳温度为70℃。在预聚体的制备过程中当三聚氯
胺与甲醛物质的量比为1:25时,缓释性能最好。
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图6不同预聚体配比释放速率一时间关系曲线
Fig.6
The
curves
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ofreleaseratevs
timewithdifferent
prepolymer
ratios
3
结论
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首先用三聚氰胺一甲醛预聚体对吡虫啉农药
万方数据
关于选择性还原脱硝中还原剂的研究进展
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
许振冲, 吴爽, 周明东, XU Zhen-chong, WU Shuang, ZHOU Ming-dong辽宁石油化工大学化学与材料科学学院,辽宁抚顺,113001化学与粘合
Chemistry and Adhesion2015,37(1)
引用本文格式:许振冲. 吴爽. 周明东. XU Zhen-chong. WU Shuang. ZHOU Ming-dong 关于选择性还原脱硝中还原剂的研究进展[期刊论文]-化学与粘合 2015(1)