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CN115178292A - 一种高抗硫性分子筛基整体式scr催化剂及其制备方法 - Google Patents

一种高抗硫性分子筛基整体式scr催化剂及其制备方法 Download PDF

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CN115178292A
CN115178292A CN202210749811.6A CN202210749811A CN115178292A CN 115178292 A CN115178292 A CN 115178292A CN 202210749811 A CN202210749811 A CN 202210749811A CN 115178292 A CN115178292 A CN 115178292A
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scr catalyst
copper
transition metal
resistance
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朱增赞
赵磊
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刘浩
刘业楠
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郭晓会
栾浩
王菊
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Kailong Lanfeng New Material Technology Co ltd
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Abstract

本发明提供了一种高抗硫性分子筛基整体式SCR催化剂及其制备方法,包括以下步骤:S1、覆铜分子筛的制备;S2、过渡金属改性的覆铜分子筛的制备;S3、浆料制备与涂覆,通过过渡金属对分子筛基SCR催化剂进行改性,将制备得到的浆料涂覆在堇青石锋窝陶瓷载体上得到高抗硫性分子筛基整体式SCR催化剂。过渡金属的改性提高了新鲜态分子筛基SCR催化剂的低温性能,耐硫毒化性能好、脱硝性能显著提高,克服了现有分子筛基柴油车SCR催化剂抗硫毒化能力低的弊端,且活性窗口宽、制备方法简单成本低、可实现大规模、高效率的企业化生产,可应用于柴油车尾气、电厂废气等含硫气氛中的高效脱硝中。

Description

一种高抗硫性分子筛基整体式SCR催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及分子筛基整体式SCR催化剂的制备领域,更具体的是涉及一种高抗硫性分子筛基整体式SCR催化剂及其制备方法。
背景技术
随着我国工业化进程的加快以及经济的飞速发展,我国汽车产量以及保有量均呈现高速增长的趋势,柴油车用量也在逐年提高,其尾气中污染物的排放对环境的影响越来越明显,也对人体健康带来严重的危害。全国机动车尾气污染物排放中,柴油车占总氮氧化物(NOx)的43%。因此,降低柴油车中NOx的排放已经成为控制污染源,保护大气环境的重要措施。
Cu基分子筛催化剂由于具有优异的低温SCR活性以及良好的水热稳定性,是目前我国柴油车尾气后处理中使用最广泛的SCR催化剂。柴油中存在少量的硫元素,导致发动机尾气中存在一定量的SO2。在SO2存在的条件下,Cu基分子筛催化剂很容易发生中毒而性能大幅降低。此外,虽然我国对柴油车中硫含量已有相关标准,但是实际上油品参差不齐,硫含量超标的柴油会导致SCR催化剂寿命大大缩短。
提高SCR催化剂的抗硫毒化能力是提高其长时稳定性和延长使用寿命的重要手段。专利CN 114308052 A公布了一种具有抗水、抗硫性能的有机物衍生碳负载型尖晶石脱硝催化剂,所制得的Mn-Co尖晶石/SiO2/活性炭催化剂具有良好的抗水热和抗硫毒化能力。专利CN 114146713A公布了一种硫酸化改性的铁钨钛SCR脱硝催化剂,通过在溶胶过程中加入硫脲来对铁钨钛催化剂进行预硫化,提高其表面酸性位数量,提高其含硫条件下的脱硝性能,但上述专利公开的尖晶石脱硝催化剂以及预硫化的铁钨钛催化剂的制备过程十分复杂,成型也比较困难,在柴油车尾气净化中难以被实际应用。
目前,柴油车尾气脱硝催化剂仍以分子筛基催化剂为主,因此在分子筛基催化剂的基础上进行改性以提升抗硫毒化能力以及硫毒化以后的脱硫再生能力具有很大的研究价值和应用前景。
发明内容
为解决耐硫催化剂不适用于柴油车尾气脱硝、成型困难,且现有分子筛基SCR催化剂抗硫中毒能力弱,使用寿命受限的问题,现提供一种高抗硫性分子筛基整体式SCR催化剂及其制备方法。通过将广泛应用的分子筛基催化剂进行过渡金属氧化物固相离子交换改性,提高催化剂表面酸性,阻碍含硫物种与活性中心的结合,提高催化剂的抗硫中毒的能力。
具体的技术方案如下:
一种高抗硫性分子筛基整体式SCR催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、覆铜分子筛的制备:将空白分子筛加入铜前驱体溶液中,充分搅拌并升温进行离子交换,然后抽滤、洗涤、干燥、焙烧得到覆铜分子筛;
S2、过渡金属改性:将过渡金属前驱体加入S1得到的覆铜分子筛中,并进行球磨混合,混合均匀后进行焙烧得到过渡金属改性的覆铜分子筛;
S3、浆料制备与涂覆:将S2所得材料加入水中搅拌分散,然后加入粘接剂与增稠剂,充分溶解分散后得到浆料;将浆料均匀涂覆在堇青石蜂窝陶瓷载体上,经过干燥、焙烧后得到高抗硫性分子筛基整体式SCR催化剂。
优选地,S2中过渡金属为Zr、W、Mo,Nb中的一种或几种的混合物。
优选地,S1中铜前驱体为醋酸铜,硝酸铜,硫酸铜中的一种或几种的混合物。
优选地,S2中过渡金属前驱体为过渡金属的硝酸盐、硫酸盐、盐酸盐、乙酸盐、金属酸盐中的一种或几种的混合物。
优选地,S1中空白分子筛的结构为CHA和AEI中的一种或两种的混合物。
优选地,S2中过渡金属改性的覆铜分子筛中过渡金属的含量为0.1~5.0wt.%。
优选地,S3中粘接剂为硅溶胶和铝溶胶中的一种或两种的混合物,粘接剂的含量为涂层干重的3~10%。
优选地,S3中增稠剂为羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素和黄原胶中的一种或几种的混合物,增稠剂的含量为涂层干重的1~5‰。
一种高抗硫性分子筛基整体式SCR催化剂通过上述制备方法制备得到。
有益效果:
本发明提供了一种高抗硫性分子筛基整体式SCR催化剂及其制备方法,通过过渡金属对分子筛基SCR催化剂进行改性,将制备得到的浆料涂覆在堇青石锋窝陶瓷载体上得到高抗硫性分子筛基整体式SCR催化剂。过渡金属的改性提高了新鲜态分子筛基SCR催化剂的低温性能,耐硫毒化性能好、脱硝性能显著提高,克服了现有分子筛基柴油车SCR催化剂抗硫毒化能力低的弊端,且活性窗口宽、成本低、可实现大规模、高效率的企业化生产,可应用于柴油车尾气、电厂废气等含硫气氛中的高效脱硝中。同时本制备方法简单涂层牢固、原料来源广泛,可实现大规模、高效率的企业化生产。
附图说明
图1是对比例与实施例1所得的催化剂新鲜态性能;
图2是对比例与实施例1所得催化剂硫化处理96h后性能;
图3是对比例与实施例1所得催化剂脱硫再生后性能。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解,下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述,该实施例仅用于解释本发明,并不构成对本发明保护范围的限定。
实施例1
将89.2g醋酸铜加入1791.1g去离子水中,充分搅拌至完全溶解;将828.6g SSZ-13分子筛(CHA结构)加入该溶液中,充分搅拌至分子筛在溶液中充分分散;升温至85℃快速搅拌并保持8h,进行离子交换;降至室温然后依次进行过滤、洗涤、干燥、焙烧,得到Cu-SSZ-13分子筛,利用ICP检测其铜含量。将94.1g硝酸锆加入800.0g上述Cu-SSZ-13分子筛中,用行星球磨机球磨30min至混合均匀,所得粉体经过600℃焙烧6h得到Zr改性Cu-SSZ-13分子筛,利用ICP检测Zr含量。将800.0g上述Zr改性Cu-SSZ-13分子筛加入1489.3g去离子水中并搅拌至均匀分散,加入32.5g铝溶胶并搅拌至完全溶解,然后加入5.6g羧甲基纤维素,直至形成具有一定粘度的浆料状态;将浆料均匀涂覆于堇青石蜂窝陶瓷载体上,上载量为120g/L,经过干燥、500℃焙烧2h后得到高抗硫性的Zr改性Cu-SSZ-13分子筛基整体式催化剂。
实施例2
将44.6g醋酸铜加入1791.1g去离子水中,充分搅拌至完全溶解;将828.6g SSZ-13分子筛(CHA结构)加入该溶液中,充分搅拌至分子筛在溶液中充分分散;升温至85℃快速搅拌并保持8h,进行离子交换;降至室温然后依次进行过滤、洗涤、干燥、焙烧,得到Cu-SSZ-13分子筛,利用ICP检测其铜含量。将94.1g硝酸锆加入800.0g上述Cu-SSZ-13分子筛中,用行星球磨机球磨30min至混合均匀,所得粉体经过600℃焙烧6h得到Zr改性Cu-SSZ-13分子筛,利用ICP检测Zr含量。将800.0g上述Zr改性Cu-SSZ-13分子筛加入1489.3g去离子水中并搅拌至均匀分散,加入32.5g铝溶胶并搅拌至完全溶解,然后加入5.6g羧甲基纤维素,直至形成具有一定粘度的浆料状态;将浆料均匀涂覆于堇青石蜂窝陶瓷载体上,上载量为120g/L,经过干燥、500℃焙烧2h后得到高抗硫性的Zr改性Cu-SSZ-13分子筛基整体式催化剂。
实施例3
将89.2g醋酸铜加入1791.1g去离子水中,充分搅拌至完全溶解;将828.6g SSZ-39分子筛(AEI结构)加入该溶液中,充分搅拌至分子筛在溶液中充分分散;升温至85℃快速搅拌并保持8h,进行离子交换;降至室温然后依次进行过滤、洗涤、干燥、焙烧,得到Cu-SSZ-13分子筛,利用ICP检测其铜含量。将94.1g硝酸锆加入800.0g上述Cu-SSZ-13分子筛中,用行星球磨机球磨30min至混合均匀,所得粉体经过600℃焙烧6h得到Zr改性Cu-SSZ-13分子筛,利用ICP检测Zr含量。将800.0g上述Zr改性Cu-SSZ-13分子筛加入1489.3g去离子水中并搅拌至均匀分散,加入32.5g铝溶胶并搅拌至完全溶解,然后加入5.6g羧甲基纤维素,直至形成具有一定粘度的浆料状态;将浆料均匀涂覆于堇青石蜂窝陶瓷载体上,上载量为120g/L,经过干燥、500℃焙烧2h后得到高抗硫性的Zr改性Cu-SSZ-39分子筛基整体式催化剂。
实施例4
将89.2g醋酸铜加入1791.1g去离子水中,充分搅拌至完全溶解;将828.6g SSZ-13分子筛(CHA结构)加入该溶液中,充分搅拌至分子筛在溶液中充分分散;升温至85℃快速搅拌并保持8h,进行离子交换;降至室温然后依次进行过滤、洗涤、干燥、焙烧,得到Cu-SSZ-13分子筛,利用ICP检测其铜含量。将31.4g硝酸锆加入800.0g上述Cu-SSZ-13分子筛中,用行星球磨机球磨30min至混合均匀,所得粉体经过600℃焙烧6h得到Zr改性Cu-SSZ-13分子筛,利用ICP检测Zr含量。将800.0g上述Zr改性Cu-SSZ-13分子筛加入1489.3g去离子水中并搅拌至均匀分散,加入32.5g铝溶胶并搅拌至完全溶解,然后加入5.6g羧甲基纤维素,直至形成具有一定粘度的浆料状态;将浆料均匀涂覆于堇青石蜂窝陶瓷载体上,上载量为120g/L,经过干燥、500℃焙烧2h后得到高抗硫性的Zr改性Cu-SSZ-13分子筛基整体式催化剂。
实施例5
将83.8g硝酸铜加入1791.1g去离子水中,充分搅拌至完全溶解;将828.6g SSZ-13分子筛(CHA结构)加入该溶液中,充分搅拌至分子筛在溶液中充分分散;升温至85℃快速搅拌并保持8h,进行离子交换;降至室温然后依次进行过滤、洗涤、干燥、焙烧,得到Cu-SSZ-13分子筛,利用ICP检测其铜含量。将62.7g硝酸锆加入800.0g上述Cu-SSZ-13分子筛中,用行星球磨机球磨30min至混合均匀,所得粉体经过600℃焙烧6h得到Zr改性Cu-SSZ-13分子筛,利用ICP检测Zr含量。将800.0g上述Zr改性Cu-SSZ-13分子筛加入1489.3g去离子水中并搅拌至均匀分散,加入32.5g铝溶胶并搅拌至完全溶解,然后加入5.6g羧甲基纤维素,直至形成具有一定粘度的浆料状态;将浆料均匀涂覆于堇青石蜂窝陶瓷载体上,上载量为120g/L,经过干燥、500℃焙烧2h后得到高抗硫性的Zr改性Cu-SSZ-13分子筛基整体式催化剂。
实施例6
将89.2g醋酸铜加入1791.1g去离子水中,充分搅拌至完全溶解;将828.6g SSZ-13分子筛(CHA结构)加入该溶液中,充分搅拌至分子筛在溶液中充分分散;升温至85℃快速搅拌并保持8h,进行离子交换;降至室温然后依次进行过滤、洗涤、干燥、焙烧,得到Cu-SSZ-13分子筛,利用ICP检测其铜含量。将59.1g钨酸铵加入800.0g上述Cu-SSZ-13分子筛中,用行星球磨机球磨30min至混合均匀,所得粉体经过600℃焙烧6h得到W改性Cu-SSZ-13分子筛,利用ICP检测W含量。将800.0g上述W改性Cu-SSZ-13分子筛加入1489.3g去离子水中并搅拌至均匀分散,加入32.5g铝溶胶并搅拌至完全溶解,然后加入5.6g羧甲基纤维素,直至形成具有一定粘度的浆料状态;将浆料均匀涂覆于堇青石蜂窝陶瓷载体上,上载量为120g/L,经过干燥、500℃焙烧2h后得到高抗硫性的W改性Cu-SSZ-13分子筛基整体式催化剂。
实施例7
将89.2g醋酸铜加入1791.1g去离子水中,充分搅拌至完全溶解;将828.6g SSZ-13分子筛(CHA结构)加入该溶液中,充分搅拌至分子筛在溶液中充分分散;升温至85℃快速搅拌并保持8h,进行离子交换;降至室温然后依次进行过滤、洗涤、干燥、焙烧,得到Cu-SSZ-13分子筛,利用ICP检测其铜含量。将42.9g钼酸铵加入800.0g上述Cu-SSZ-13分子筛中,用行星球磨机球磨30min至混合均匀,所得粉体经过600℃焙烧6h得到Mo改性Cu-SSZ-13分子筛,利用ICP检测Mo含量。将800.0g上述Mo改性Cu-SSZ-13分子筛加入1489.3g去离子水中并搅拌至均匀分散,加入32.5g铝溶胶并搅拌至完全溶解,然后加入5.6g羧甲基纤维素,直至形成具有一定粘度的浆料状态;将浆料均匀涂覆于堇青石蜂窝陶瓷载体上,上载量为120g/L,经过干燥、500℃焙烧2h后得到高抗硫性的Mo改性Cu-SSZ-13分子筛基整体式催化剂。
实施例8
将89.2g醋酸铜加入1791.1g去离子水中,充分搅拌至完全溶解;将828.6g SSZ-13分子筛(CHA结构)加入该溶液中,充分搅拌至分子筛在溶液中充分分散;升温至85℃快速搅拌并保持8h,进行离子交换;降至室温然后依次进行过滤、洗涤、干燥、焙烧,得到Cu-SSZ-13分子筛,利用ICP检测其铜含量。将39.7g草酸铌加入800.0g上述Cu-SSZ-13分子筛中,用行星球磨机球磨30min至混合均匀,所得粉体经过600℃焙烧6h得到Nb改性Cu-SSZ-13分子筛,利用ICP检测Nb含量。将800.0g上述Nb改性Cu-SSZ-13分子筛加入1489.3g去离子水中并搅拌至均匀分散,加入32.5g铝溶胶并搅拌至完全溶解,然后加入5.6g羧甲基纤维素,直至形成具有一定粘度的浆料状态;将浆料均匀涂覆于堇青石蜂窝陶瓷载体上,上载量为120g/L,经过干燥、500℃焙烧2h后得到高抗硫性的Nb改性Cu-SSZ-13分子筛基整体式催化剂。
对比例:
将89.2g醋酸铜加入1791.1g去离子水中,充分搅拌至完全溶解;将828.6g SSZ-13分子筛(CHA结构)加入该溶液中,充分搅拌至分子筛在溶液中充分分散;升温至85℃快速搅拌并保持8h,进行离子交换;降至室温然后依次进行过滤、洗涤、干燥、焙烧,得到Cu-SS Z-13分子筛,利用ICP检测其铜含量。将800.0g上述Cu-SSZ-13分子筛加入1489.3g去离子水中并搅拌至均匀分散,加入32.5g铝溶胶并搅拌至完全溶解,然后加入5.6g羧甲基纤维素,直至形成具有一定粘度的浆料状态;将浆料均匀涂覆于堇青石蜂窝陶瓷载体上,上载量为120g/L,经过干燥、500℃焙烧2h后得到Cu-SSZ-13分子筛基整体式催化剂。
实施例1-8和对比例制得的催化剂的铜含量以及过渡金属含量测试结果如下表所示:
实施例 催化剂 Cu含量/% 过渡金属种类及含量/%
实施例1 Zr/Cu-SSZ-13 3.29 Zr:2.43
实施例2 Zr/Cu-SSZ-13 1.72 Zr:2.48
实施例3 Zr/Cu-SSZ-39 3.34 Zr:2.53
实施例4 Zr/Cu-SSZ-13 3.32 Zr:0.83
实施例5 Zr/Cu-SSZ-13 3.31 Zr:2.39
实施例6 W/Cu-SSZ-13 3.25 W:2.55
实施例7 Mo/Cu-SSZ-13 3.29 Mo:2.47
实施例8 Nb/Cu-SSZ-13 3.30 Nb:2.61
对比例 Cu-SSZ-13 3.31 -
对实施例1-8以及对比例所得的催化剂进行抗硫毒化性能测试,具体的测试流程如下:
活性测试在固定床反应器中进行,用取样器取得φ24*50mm的小样,分别测试各新鲜态、硫化处理后以及脱硫再生后的小样性能。性能测试的条件为:NO=500ppm,NH3=500ppm,O2=8%,CO2=5%,H2O=7%,N2作为平衡气,体积空速为40000h-1,分别在190,200,225和250℃下反应直至反应平衡,测试各温度点下的NO转化率。
NO转化率按照如下公式计算:NO转化率=(C进口-C出口)/C进口×100%,其中C进口与C出口分别为NO进口与出口的浓度(ppm)。
硫化处理气氛为SO2=100ppm,O2=10%,CO2=8%,H2O=10%,N2作为平衡气,体积空速为15000h-1,各小样在200℃下硫化处理96h。
脱硫再生在N2气氛中进行,各小样在650℃下处理2h,然后降温至室温。
实施例1-8以及对比例所得催化剂的新鲜态、硫化处理后以及脱硫再生后的小样性能结果如下表所示,其中对比例与实施例1的新鲜态、硫化处理96h后以及脱硫再生后的性能分别见图1,图2和图3。由活性测试结果可知,过渡金属改性提高了新鲜态分子筛基SCR催化剂的低温性能,190℃下2.5%Zr掺杂改性的Zr/Cu-SSZ-13性能比Cu-SSZ-13提高了2.35%,其他过渡金属掺杂改性也有类似的效果。96h硫化处理后,过渡金属掺杂改性的催化剂性能与对比例所得催化剂相比,脱硝性能显著提高,250℃下2.5%Zr掺杂改性的Zr/Cu-SSZ-13性能比Cu-SSZ-13的NOx转化率提高了33.31%,且对比例催化剂脱硫再生后,190℃下其脱硝性能与新鲜样品相比大幅衰减了35.49,而2.5%Zr掺杂改性的催化剂与新鲜样品相比,性能衰减最大不超过4%,其他过渡金属W,Mo,Nb改性也获得了类似的高耐硫毒化性能。可见利用本发明中的制备方法获得的过渡金属固相交换改性的催化剂具有高耐硫毒化性能,并且提高了低温区SCR活性,该催化剂及其制备方法可应用于柴油车尾气,电厂废气等含硫气氛中的高效脱硝中。
实施例1-8所得的催化剂新鲜态、硫化处理后以及脱硫再生后性能由下表所示:
Figure BDA0003720768940000121
作为进一步改进,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高抗硫性分子筛基整体式SCR催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、覆铜分子筛的制备:将空白分子筛加入铜前驱体溶液中,充分搅拌并升温进行离子交换,然后抽滤、洗涤、干燥、焙烧得到覆铜分子筛;
S2、过渡金属改性:将过渡金属前驱体加入S1得到的覆铜分子筛中,并进行球磨混合,混合均匀后进行焙烧得到过渡金属改性的覆铜分子筛;
S3、浆料制备与涂覆:将S2所得材料加入水中搅拌分散,然后加入粘接剂与增稠剂,充分溶解分散后得到浆料;将浆料均匀涂覆在堇青石蜂窝陶瓷载体上,经过干燥、焙烧后得到高抗硫性分子筛基整体式SCR催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种高抗硫性分子筛基整体式SCR催化剂的制备方法,其特征在于,S1中覆铜分子筛中铜含量为1.5~4.5wt.%。
3.根据权利要求1所述的一种高抗硫性分子筛基整体式SCR催化剂的制备方法,其特征在于,S2中过渡金属为Zr、W、Mo,Nb中的一种或几种的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种高抗硫性分子筛基整体式SCR催化剂的制备方法,其特征在于,S1中铜前驱体为醋酸铜,硝酸铜,硫酸铜中的一种或几种的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种高抗硫性分子筛基整体式SCR催化剂的制备方法,其特征在于,S2中过渡金属前驱体为过渡金属的硝酸盐、硫酸盐、盐酸盐、乙酸盐、金属酸盐中的一种或几种的混合物。
6.根据权利要求1所述的一种高抗硫性分子筛基整体式SCR催化剂的制备方法,其特征在于,S1中空白分子筛的结构为CHA和AEI中的一种或两种的混合物。
7.根据权利要求1所述的一种高抗硫性分子筛基整体式SCR催化剂的制备方法,其特征在于,S2中过渡金属改性的覆铜分子筛中过渡金属的含量为0.1~5.0wt.%。
8.根据权利要求1所述的一种高抗硫性分子筛基整体式SCR催化剂的制备方法,其特征在于,S3中粘接剂为硅溶胶和铝溶胶中的一种或两种的混合物,粘接剂的含量为涂层干重的3~10%。
9.根据权利要求1所述的一种高抗硫性分子筛基整体式SCR催化剂的制备方法,其特征在于,S3中增稠剂为羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素和黄原胶中的一种或几种的混合物,增稠剂的含量为涂层干重的1~5‰。
10.一种高抗硫性分子筛基整体式SCR催化剂,其特征在于,该催化剂采用如权利要求1~9任一所述的方法制备而成。
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