Cu-Ce/ZSM-5催化煙氣脫硫脫硝的性能研究

陳小瓜（太原師范學院化學系，山西晉中030619）

Cu-Ce/ZSM-5催化煙氣脫硫脫硝的性能研究

陳小瓜（太原師范學院化學系，山西晉中030619）

本文采用浸漬法制備了Cu-Ce/ZSM-5系列催化劑，用于煙氣脫硫脫硝實驗，通過XRD、BET等進行結構表征，通過微型反應裝置和煙氣分析儀進行性能評價。結果表明，CeO2的摻入有利于CuO在ZSM-5分子篩上的負載；系列催化劑中負載量為Cu∶Ce=1∶1的Cu-Ce/ZSM-5催化劑性能最好，比表面積達到186.3m2/g，T90%SO2為570℃，T90%NO為540℃。

煙氣；脫硝脫硫；催化劑

工業煙氣中的二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOX）是當代社會危害較大、波及范圍較廣的主要大氣污染物，未經凈化處理的煙氣不僅會引起酸雨、誘發光化學煙霧、破壞臭氧層、污染環境，還會危害人體呼吸系統，進而損害人類的身體健康。近年來，隨著大眾節能環保意識的提高，傳統的單獨脫硫、脫硝技術成本過高、效率偏低，難以滿足當前燃煤工業節能減排的要求，因此，急需研發一種可以高效催化CO同時脫硫脫硝的催化劑，探索一條綠色、節能、高效的工業聯產工藝。本文選取ZSM-5分子篩為載體，CuO為活性組分，摻入一定量的CeO2，采用等體積浸漬法制備了系列金屬氧化物復合催化劑，通過XRD、BET等手段進行了物化結構表征，并在常壓固定床石英管反應器中考察了其催化脫硫脫硝的性能。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

儀器：X光衍射儀、物理化學吸附儀、工業煙氣分析儀、微型反應裝置。

試劑：硝酸銅、硝酸鈰、硝酸、無水乙醇、ZSM-5分子篩。

1.2 催化劑制備

稱取20g經過干燥脫水的ZSM-5分子篩置于燒杯中，緩慢地滴加去離子水，直到水浸過ZSM-5分子篩無過剩，確定出ZSM-5分子篩的水飽和吸附量。然后，根據實驗設計，稱取一定配比的硝酸銅、硝酸鈰融入上述可以飽和吸附ZSM-5分子篩的等量去離子水中，再將20g經預處理過的ZSM-5分子篩浸漬在配置好的金屬硝酸鹽溶液中，于室溫下靜置1d，抽濾、洗滌、烘干，然后在馬弗爐中程序升溫，于500℃下焙燒5h，放入干燥器內備用。

1.3 催化劑結構表征

XRD采用X'Pert Pro MPD型X射線粉末衍射儀，測試參數：Cu靶Kα輻射源(λ=0.15418 nm)，2θ掃描范圍為15°～80°，掃描速率為4°/min；BET采用ASAP-2020全自動物理化學吸附儀，先將樣品在氦氣環境中300℃下恒溫吹掃2h，然后在-196℃下用氮氣進行吸附實驗，比表面積用BET法計算。

1.4 脫硫脫硝性能評價

催化煙氣脫硫脫硝實驗在常壓固定床石英管反應器中進行，催化劑粒度40～60目，裝填量1g。反應條件：用石英砂將催化劑床層固定于反應裝置的恒溫段，以流量200mL/min的速率通入模擬煙氣（NO:SO2:CO=1:2:5），采用程序升溫控制系統調節反應體系溫度，升溫速率2℃/min，溫度范圍400℃～700℃，使用E-Inst E8500工業煙氣分析儀在線監測催化反應尾氣。

2 結果與討論

2.1 XRD表征分析

將上述5種催化劑的XRD圖與標準圖譜對比，1-5號圖中2θ為7.83°、22.8°、23.4°附近均出現強峰，表明負載銅鈰活性組分后，ZSM-5分子篩結構并未改變；2θ為35.6°、38.4°、45.3°附近出現了CuO的特征衍射峰，2θ為28.3°、47.5°、32.8°附近出現了CeO2的特征衍射峰，表明催化劑中同時存在CuO、CeO2兩種活性組分；而且2-4號圖可以看出，隨著CeO2含量增加，CuO峰面積逐漸增大，表明鈰可以促進銅在ZSM-5分子篩上的負載，從而提高催化性能。

2.2 BET表征分析

使用物理化學吸附儀測得5種催化劑的比表面積分別為167.5m2/g、175.8m2/g、186.3m2/g、178.2m2/g、170.1m2/g，可見，隨著CeO2負載量的增加，銅鈰復合催化劑比表面積總體呈現先增大后減小的形態，這表明摻入適量的CeO2有助于改善ZSM-5分子篩的孔道結構，有利于CuO的負載，而過量的CeO2晶粒又可能堵塞催化劑孔道，從而導致催化劑比表面積下降。

2.3 催化性能評價

圖1、圖2分別比為Cu-Ce/ZSM-5系列催化劑催化脫硫脫硝的效果圖。

由圖1看出，隨著溫度升高，SO2的轉化率先升高后趨于穩定。當反應溫度達到625℃時，系列催化劑催化煙氣脫硫效果均達到最佳狀態，溫度繼續上升，催化脫硫效果提升并不明顯，負載Cu:Ce=1:1的銅鈰復合催化劑脫硫性能最優，T90%SO2為570℃。由圖2看出，隨著溫度升高，NO的轉化率也先升高后趨于穩定。當反應溫度達到600℃時，系列催化劑催化煙氣脫硝效果即達到最佳狀態，負載Cu:Ce=1:1的銅鈰復合催化劑脫硝效果也最佳，T90%NO為540℃。

3 結語

以ZSM-5分子篩為載體，CuO為活性組分，摻入適量CeO2可以促進CuO在ZSM-5分子篩上的負載。負載Cu:Ce=1:1的Cu-Ce/ZSM-5催化劑催化煙氣脫硫脫硝性能最好，比表面積為186.3m2/g，T90%SO2為570℃，T90%NO為540℃。

[1] 刁振恒.HZSM-5分子篩催化劑脫硫脫硝研究[D].長春工業大學,2011.

[2] 呂雷.煙氣脫硫脫硝一體化工藝設計與研究[D].長春工業大學,2012.