魏永林,陳紅萍,2,侯欣辛,楊 旭,李澤清
(1.華北理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院, 河北 唐山 063210;2.河北省煤化工工程技術(shù)研究中心, 河北 唐山 063210)
隨著國(guó)家對(duì)各類企業(yè)煙道氣中NOx的排放濃度要求越來(lái)越嚴(yán)格,低溫?zé)煹罋猓缃够瘡S、玻璃廠、水泥廠等煙道氣中的NOx也需要脫除,而應(yīng)用于電廠煙道氣脫硝的催化劑存在低溫效率低、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn),因此涌現(xiàn)了大量低溫脫硝催化劑的研究,其中Mn基催化劑以其較高的低溫活性和較寬的活性溫度窗口得到廣泛關(guān)注,但其抗硫性較差[1-4]。
研究者針對(duì)Mn基催化劑的硫中毒機(jī)理及抗硫性進(jìn)行了研究。催化劑硫中毒機(jī)理主要是活性組分和載體的硫酸化以及硫酸銨鹽的形成幾個(gè)方面。因此研究者主要從載體改性[5-7]、助劑添加[8-10]、結(jié)構(gòu)調(diào)整[11]和采用復(fù)合活性組分[12]等方面進(jìn)行了改進(jìn)。Jia等[13]通過(guò)XRD、XPS以及熱重等表征發(fā)現(xiàn),Mn基催化劑上SO2會(huì)被MnOx氧化為SO3并吸附在TiO2上形成硫酸鈦,利用Zr對(duì)載體進(jìn)行改性,增加了Mn4+和表面酸性氧的含量,同時(shí)也提升了催化劑表面酸性,提高了催化劑抗SO2性能。Shen等[14]研究Fe,Co摻雜Mn-Ce/TiO2催化劑抗SO2機(jī)理時(shí),通過(guò)原位紅外光譜發(fā)現(xiàn)Mn-Ce/TiO2催化劑表面上吸附的SO3、亞硫酸鹽、硫酸鹽種類較多,利用Fe和Co改性,可以降低硫的吸附量。Jiang等[15]通過(guò)V2O5改性Mn-Ce/AC催化劑抗SO2性能時(shí)發(fā)現(xiàn),V2O5的加入可以增加催化劑表面酸性,抑制SO2的吸附,增加了表面化學(xué)吸附氧,從而提高了NOx的轉(zhuǎn)化率和N2的選擇性。Fan等[16]發(fā)現(xiàn)Ce摻雜Mn基催化劑具有良好的抗SO2的能力,通過(guò)XPS、XRD、SEM、H2-TPR等表征發(fā)現(xiàn),Ce更容易與SO2反應(yīng),從而降低催化劑表面硫酸鹽的沉積以及保護(hù)Mn的活性位點(diǎn)。
通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn),通過(guò)對(duì)Mn基催化劑的改進(jìn),抗硫性得到了一定的提高,但并沒(méi)有從根本山找到硫中毒位置和硫中毒機(jī)理,因此Mn基催化劑的長(zhǎng)期穩(wěn)定應(yīng)用仍不確定。本文通過(guò)對(duì)Ti、Fe/Ti、Mn/Ti和Fe-Mn/Ti催化劑進(jìn)行不同氣氛預(yù)硫化,對(duì)預(yù)硫化后樣品進(jìn)行表征,探討SO2與催化劑表面的作用位置和中毒機(jī)理。
以商品P25作為T(mén)iO2載體,采用浸漬法負(fù)載Fe、Mn活性組分,以硝酸鐵(Fe(NO3)3·9H2O)和乙酸錳(Mn(CH3COO)3·4H2O)為Fe和Mn的前驅(qū)體,活性組分負(fù)載量為20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(當(dāng)負(fù)載鐵錳雙組分時(shí),F(xiàn)e和Mn各負(fù)載10%)。采用浸漬法負(fù)載活性組分,于70 Hz下超聲1 h,室溫陳化12 h,120 ℃恒溫干燥4 h,在600 ℃煅燒4 h,得到催化劑,分別記為Fe/Ti、Mn/Ti和Fe-Mn/Ti。以經(jīng)過(guò)同樣處理過(guò)程而不負(fù)載活性組分的P25作為參比樣品,記為T(mén)i。
取2 ml制備好的新鮮催化劑,裝入脫硝反應(yīng)器中,待溫度升到200 ℃后通入200 ppm的SO2(N2作平衡氣)對(duì)催化劑進(jìn)行預(yù)硫化半小時(shí),之后用N2吹掃半小時(shí),得到的樣品分別記為T(mén)i-S、Fe/Ti-S、Mn/Ti-S以及Fe-Mn/Ti-S。
采用同樣的方法在NH3-SCR氣氛下對(duì)催化劑進(jìn)行預(yù)硫化,通入氣氛為:200×10-6的SO2、1 000×10-6的NO、7%的O2、1 000×10-6的NH3(N2作平衡氣)在200℃條件下進(jìn)行預(yù)硫化30 min,之后用N2吹掃0.5 h,得到的樣品記為T(mén)i-S(O)、Fe/Ti-S(O)、Mn/Ti-S(O)以及Fe-Mn/Ti-S(O)。
脫硝活性及抗硫性測(cè)試。將2 ml粒徑為20~40目的新鮮催化劑放置于固定床反應(yīng)器中,通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)控制反應(yīng)氣體流量,利用Model 42i-HL型NOx分析儀(美國(guó)Thermo公司)對(duì)出口NOx進(jìn)行分析,活性測(cè)試時(shí),將催化劑在120~260 ℃不同溫度點(diǎn)下進(jìn)行活性測(cè)試。對(duì)催化劑進(jìn)行抗硫性測(cè)試時(shí),溫度穩(wěn)定在200 ℃。模擬焦?fàn)t煙道氣組分為:NO(1 000×10-6),NH3(1 000×10-6),O2(7%),SO2(100×10-6,如果需要),N2平衡,空速30 000 h-1。
采用ChemBETPulsarTPD/TPR(美國(guó)康塔儀器公司)對(duì)催化劑進(jìn)行程序升溫脫附分析。稱取100 mg樣品,在He氣氛下以10 ℃/min的升溫速率升溫到150 ℃,吹掃1 h,降溫至40 ℃,再以10 ℃/min的速率升溫至1 000 ℃,記錄過(guò)程中的信號(hào)變化。
對(duì)催化劑進(jìn)行H2-TPR表征。稱取30 mg的樣品。其程序?yàn)椋涸贖e氣氛下,以10 ℃/min的升溫速率升溫到300 ℃,吹掃30 min,降溫至40 ℃,H2氣氛下以10 ℃/min的速率升溫至1 000 ℃,記錄過(guò)程中的信號(hào)值。
采用D/MAX2500PC(日本理學(xué)株式會(huì)社)對(duì)樣品進(jìn)行XRD測(cè)試。采用Cu靶作為輻射源,5°~90°測(cè)試,掃描速率10 °/min,操作電壓40 kV,電流30 mA。
采用VERTEX80/70V型紅外光譜分析儀(德國(guó)布魯克公司)對(duì)新鮮及預(yù)硫化的催化劑進(jìn)行紅外分析。掃描范圍4 000~400 cm-1,掃描次數(shù)16。
采用ESCALAB250Xi(美國(guó)Thermo公司)對(duì)Fe-Mn/Ti催化劑進(jìn)行XPS分析。輻射源采用Al-Kα靶(1486.6 eV),工作電壓14.6 kV,燈絲電流為13.5 mA。測(cè)試通能為20 eV,步長(zhǎng)0.1 eV,以C 1s=284.8 eV結(jié)合能為能量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校正。
對(duì)Fe-Mn/Ti、Mn/Ti以及Fe/Ti催化劑進(jìn)行活性分析,結(jié)果如圖1所示,在圖中可以觀察到,F(xiàn)e-Mn/Ti催化劑的低溫活性最高,在整個(gè)溫度范圍內(nèi),活性均在80%以上,并且催化劑在200 ℃時(shí),活性達(dá)到最高,其最高活性接近100%。Mn/Ti催化劑低溫活性隨著溫度的升高而升高,并在220 ℃時(shí)活性達(dá)到最佳,其最佳活性為97%,之后隨著溫度的升高,活性略有降低,并且在整個(gè)溫度范圍內(nèi),其脫硝活性均低于Fe-Mn/Ti催化劑。3種催化劑中,F(xiàn)e/Ti催化劑低溫脫硝活性最差,在整個(gè)溫度范圍內(nèi),隨著溫度的升高而增加,在260 ℃時(shí),脫硝活性達(dá)到86%。對(duì)比3種催化劑,其低溫活性為Fe-Mn/Ti>Mn/Ti>Fe/Ti。

圖1 3種催化劑的脫硝活性
對(duì)催化劑進(jìn)行抗硫性分析,其結(jié)果如圖2所示,通入SO2后,F(xiàn)e-Mn/Ti催化劑由最初的活性接近100%降低至39%,Mn/Ti催化劑由最初的97%降低至33%,F(xiàn)e/Ti催化劑由最初的43%降低至21%。SO2對(duì)3種催化劑影響明顯,Mn/Ti催化劑和Fe-Mn/Ti催化劑的低溫活性高,同時(shí)也易受SO2的影響,抗硫性能差。Fe/Ti催化劑低溫活性和抗硫性最差。

圖2 3種催化劑的抗硫性
對(duì)新鮮樣品進(jìn)行TPD分析,考察樣品穩(wěn)定性的影響,結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖中可以看出,所有樣品273 ℃處均有吸附水的脫附峰,Mn/Ti催化劑在610 ℃(MnO2→Mn2O3)和841 ℃(Mn2O3→MnO)出現(xiàn)了Mn的晶型轉(zhuǎn)化峰[17-18];Fe-Mn/Ti催化劑除了在610 ℃和864 ℃的Mn的晶型轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的脫附峰外,在740 ℃產(chǎn)生了FeMnOx的晶型轉(zhuǎn)化峰[19];說(shuō)明Fe的加入改變了Mn存在狀態(tài),且Fe-Mn之間發(fā)生了相互作用。

圖3 新鮮催化劑的TPD譜圖
為了探究催化劑硫中毒位置,對(duì)預(yù)硫化前后的催化劑進(jìn)行程序升溫脫附(TPD)分析,利用差減法對(duì)其進(jìn)行分析。圖4為樣品預(yù)硫化后與預(yù)硫化前TPD的差圖。從圖4a中可以看出Ti預(yù)硫化后出現(xiàn)了160、435、812 ℃ 3個(gè)正脫附峰和273 ℃的負(fù)脫附峰,結(jié)合文獻(xiàn)分析[20]可知,前兩個(gè)脫附峰為催化劑表面和孔道內(nèi)吸附的SO2的脫附。812 ℃為硫酸鈦分解產(chǎn)生的脫附峰[21],273 ℃的負(fù)脫附峰是SO2與催化劑表面的-OH結(jié)合,使化學(xué)吸附水不能脫附所致[20]。通過(guò)對(duì)兩種預(yù)硫化所得曲線比較可以看出,在NH3-SCR條件下預(yù)硫化后形成的表面吸附的SO2量較少,但硫酸鈦的量明顯增多,結(jié)合文獻(xiàn)分析,這是由于在NH3-SCR氣氛下,NH3、O2與SO2發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)吸附,同時(shí)O2的存在使SO2更容易被氧化,導(dǎo)致催化劑上硫酸鈦的量增多,表面吸附的SO2減少。
從圖4b可以看出,Mn/Ti預(yù)硫化后,兩種預(yù)硫化的樣品在143 ℃均產(chǎn)生了較小的SO2表面吸附的脫附峰,在841 ℃的Mn晶型轉(zhuǎn)化峰消失。采用SO2預(yù)硫化的催化劑出現(xiàn)了800 ℃的硫酸鈦分解脫附峰和841 ℃左右的負(fù)峰,而NH3-SCR條件預(yù)硫化的樣品出現(xiàn)了800 ℃的硫酸鈦分解峰和861 ℃的硫酸錳的分解峰[22],且417 ℃的孔內(nèi)吸附SO2或硫酸銨鹽分解的脫附峰增大。分析其原因?yàn)椋瑑煞N條件的預(yù)硫化都會(huì)使Ti硫酸化,但只采用SO2預(yù)硫化時(shí),Mn不會(huì)被硫酸化或被硫酸化的量較少,但由于SO2的存在,使Mn的晶格轉(zhuǎn)化受到抑制。而NH3-SCR條件下預(yù)硫化后的樣品中Mn發(fā)生明顯硫酸化,這是由于表面硫酸鹽分解過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致Mn的硫酸化[23]。
從圖4(c)中可以看到,F(xiàn)e/Ti催化劑預(yù)硫化后,兩種預(yù)硫化的樣品在160、397、518及800 ℃產(chǎn)生4個(gè)正脫附峰和300 ℃的負(fù)峰。結(jié)合文獻(xiàn)可知,前兩個(gè)峰為催化劑表面和孔道內(nèi)吸附的SO2的脫附。518 ℃為硫酸鐵分解[24]產(chǎn)生的脫附峰,800 ℃為硫酸鈦分解產(chǎn)生的脫附峰。300 ℃的負(fù)峰是SO2與催化劑表面的-OH結(jié)合,使此化學(xué)吸附水不能脫附所致。通過(guò)對(duì)兩種預(yù)硫化所得曲線比較可以看出,兩種預(yù)硫化條件下硫酸鐵和硫酸鈦的生成量相接近。這是由于氧化鐵具有較好的儲(chǔ)氧能力,短時(shí)間具有較高的給氧性而不受外界有氧氣氛的影響。

圖4 樣品預(yù)硫化后催化劑TPD差圖
從圖4(d)中可以看出,F(xiàn)e-Mn/Ti催化劑預(yù)硫化后,兩種預(yù)硫化的樣品在145、395、600以及816 ℃出現(xiàn)了4個(gè)正脫附峰。結(jié)合前面分析可知,SO2仍會(huì)使Fe和Ti發(fā)生硫酸化,且在NH3-SCR條件下硫酸化更嚴(yán)重。對(duì)比Mn/Ti催化劑,F(xiàn)e-Mn/Ti催化劑在發(fā)生SO2中毒時(shí),Mn并沒(méi)有被硫酸化。說(shuō)明Fe的加入可以明顯降低Mn的硫酸化,與Wang[25]的研究結(jié)論一致。
綜上分析可知,F(xiàn)e/Ti、Mn/Ti、Fe-Mn/Ti催化劑在SO2和NH3-SCR兩種氣氛中均發(fā)生SO2中毒,且均發(fā)生了TiO2的硫酸化,NH3-SCR氣氛中由于有氧存在,會(huì)產(chǎn)生更多的硫酸鹽(Fe/Ti除外)。說(shuō)明SO2在載體TiO2上會(huì)發(fā)生吸附,并奪取其中的氧生成SO3,NH3-SCR氣氛由于氧氣的存在,會(huì)使SO3的生成更容易。活性組分Fe、Mn分別加入后,會(huì)與載體一起吸附SO2并轉(zhuǎn)化成SO3。Fe加入Mn/Ti可以改變Mn的存在狀態(tài),增強(qiáng)了Mn的抗SO2性能,但不能抑制TiO2載體的中毒。
由于脫硝催化劑的低溫活性與氧化還原能力有直接關(guān)系,且活性組分發(fā)生硫酸化會(huì)出現(xiàn)新的還原峰或峰位置發(fā)生偏移[26],因此對(duì)Mn/Ti和Fe-Mn/Ti催化劑做了H2-TPR分析。圖5a為Mn/Ti催化劑的H2-TPR圖,在371 ℃、490 ℃以及563 ℃ 3個(gè)位置均出現(xiàn)Mn的還原峰。結(jié)合文獻(xiàn)可知,371 ℃時(shí)出現(xiàn)的峰為MnO2還原為Mn2O3,490 ℃時(shí)出現(xiàn)的峰為Mn2O3還原為Mn3O4,563 ℃時(shí)出現(xiàn)的峰表示為Mn3O4還原為MnO。經(jīng)過(guò)預(yù)硫化后的Mn/Ti催化劑均在608 ℃左右出現(xiàn)一個(gè)新的還原峰,這是由于硫酸錳被H2還原產(chǎn)生的還原峰[27]。對(duì)比3條曲線,Mn/Ti催化劑在發(fā)生SO2中毒后,高價(jià)態(tài)的Mn離子含量明顯減少,兩種預(yù)硫化條件Mn離子均會(huì)發(fā)生硫酸化,與TPD分析結(jié)果一致。
圖5b為Fe-Mn/Ti的H2-TPR譜圖,圖中不僅觀察到Mn的還原峰,同時(shí)觀察到437 ℃的Fe2O3到Fe3O4的還原峰。525 ℃為Fe3O4到FeO的還原峰,615 ℃為FeO被還原成Fe的還原峰[28-29]。樣品經(jīng)過(guò)預(yù)硫化后,高價(jià)態(tài)的Fe和Mn還原峰明顯降低,這說(shuō)明其含量明顯減少。由于樣品經(jīng)過(guò)預(yù)硫化后生成硫酸鐵,導(dǎo)致525 ℃的還原峰向高溫區(qū)偏移至535 ℃。Fe-Mn/Ti催化劑上并未觀察到硫酸錳的還原峰,這與Fe-Mn/Ti催化劑TPD結(jié)果一致。

圖5 H2-TPR譜圖
對(duì)新鮮催化劑及預(yù)硫化以后的催化劑做XRD分析,其結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6(a)可知,載體TiO2顯示出金紅石型(ICDD PDF#21-1276)和銳鈦礦型(ICDD PDF#21-1272)的特征衍射峰。當(dāng)載體發(fā)生SO2中毒時(shí),金紅石相的TiO2(2θ=27.4°、36.0°、41.2°、54.3°)明顯增加,這是由于催化劑發(fā)生SO2中毒后,TiO2由銳鈦礦相轉(zhuǎn)化為金紅石相[30]。
圖6(b)為Mn/Ti催化劑預(yù)硫化前后的XRD對(duì)比,經(jīng)過(guò)預(yù)硫化后,Mn2O3(2θ=23.2°、33.0°、64.1°、65.7°,ICDD PDF#24-0508)的晶型衍射峰明顯降低,且沒(méi)有硫酸錳特征衍射峰,這是由于高價(jià)態(tài)的Mn離子在發(fā)生SO2中毒時(shí)更容易被硫酸化,生成硫酸錳,導(dǎo)致高價(jià)態(tài)Mn離子的減少[31]。但由于生成硫酸錳的量較少,低于檢測(cè)范圍,因此沒(méi)有觀察到硫酸錳的特征衍射峰。
圖6(c)中可以看出,F(xiàn)e/Ti催化劑中,F(xiàn)e以Fe2O3(ICDD PDF#33-0664)的形式存在于催化劑中。經(jīng)過(guò)預(yù)硫化后,F(xiàn)e2O3(2θ=24.1°、33.2°、35.7°、49.5°、54.2°)的特征衍射峰略有降低。這是因?yàn)榘l(fā)生SO2中毒后,F(xiàn)e被硫酸化,導(dǎo)致催化劑中Fe2O3的含量降低。
圖6(d)為Fe-Mn/Ti催化劑預(yù)硫化前后XRD對(duì)比圖,在圖中可以看出,F(xiàn)e和Mn以FeMn4(ICDD PDF#03-1180)和(MnFe)2O3(ICDD PDF#24-0507)兩種復(fù)合氧化物的兩種形式存在,且預(yù)硫化前后并沒(méi)有發(fā)生變化。相比于Mn/Ti催化劑,F(xiàn)e的加入改變了Mn的存在狀態(tài)[28],這與TPD研究的結(jié)果相一致。

圖6 預(yù)硫化前后催化劑的XRD測(cè)試圖


圖7 FT-IR圖譜
催化劑發(fā)生SO2中毒后,中毒元素的結(jié)合能會(huì)發(fā)生變化。因此對(duì)Fe-Mn/Ti催化劑預(yù)硫化前后的樣品進(jìn)行XPS分析,結(jié)果如圖8所示。在Fe 2p的XPS譜圖中可以觀察到兩個(gè)峰:Fe 2p3/2(707.0~715.0 eV)和Fe 2p1/2(722.5~720.5 eV)。利用XPSPEAK進(jìn)行分峰擬合,將Fe 2p3/2擬合成2個(gè)峰,結(jié)合能為710.9和713.0 eV,分別對(duì)應(yīng)為Fe2+和Fe3+[28]。在圖中可以觀察到Fe-Mn/Ti催化劑在發(fā)生SO2中毒后,F(xiàn)e 2p3/2峰明顯向高結(jié)合能區(qū)偏移。Fe-Mn/Ti催化劑發(fā)生SO2中毒后,F(xiàn)e的結(jié)合能增加,說(shuō)明Fe發(fā)生了硫酸化[37]。
在Mn 2p的XPS譜圖中同樣可以觀察到Mn 2p3/2和Mn 2p1/2兩個(gè)峰。將Mn 2p3/2擬合成3個(gè)峰,結(jié)合能為641.5、642.7和644.3 eV,分別對(duì)于Mn2+、Mn3+和Mn4+的3個(gè)特征峰[38]。并且樣品經(jīng)過(guò)預(yù)硫化后,Mn的結(jié)合能并沒(méi)有發(fā)生變化。這說(shuō)明Fe-Mn/Ti催化劑再發(fā)生SO2中毒時(shí),Mn并沒(méi)有被硫酸化。
圖8(c)為Fe-Mn/Ti催化劑預(yù)硫化前后Ti 2p的XPS譜圖。對(duì)比催化劑預(yù)硫化前后Ti 2p結(jié)合能發(fā)現(xiàn),催化劑在發(fā)生SO2中毒后,Ti 2p峰向高結(jié)合能方向移動(dòng),說(shuō)明Fe-Mn/Ti催化劑在發(fā)生SO2中毒后,Ti被硫酸化。
圖8(d)為Fe-Mn/Ti催化劑預(yù)硫化后S 2p的XPS譜圖。在SO2氣氛下預(yù)硫化樣品表面S含量為1.23%,在SCR氣氛下預(yù)硫化,其表面S含量為1.5%。說(shuō)明催化劑在SCR氣氛下中毒更嚴(yán)重。對(duì)S 2p峰進(jìn)行分峰擬合,兩個(gè)峰分別對(duì)應(yīng)于S4+和S6+的特征峰[39],對(duì)于僅SO2氣氛下預(yù)硫化的Fe-Mn/Ti-S催化劑,其S4+和S6+占比分別為51.16%和48.84%。在NH3-SCR氣氛下預(yù)硫化的Fe-Mn/Ti-S(O)催化劑,其S4+和S6+占比分別為45.46%和54.54%,結(jié)合文獻(xiàn)及TPD分析可知,由于SCR氣氛下O2的存在使更多的SO2被氧化,導(dǎo)致催化劑中毒更嚴(yán)重。


圖8 Fe-Mn/Ti催化劑預(yù)硫化前后XPS譜圖
基于上述分析,給出了Fe-Mn/Ti催化劑SO2中毒的機(jī)理。
(1)SO2被吸附在催化劑表面,形成吸附態(tài)的SO2。
(2)吸附態(tài)的SO2被活性組分氧化為SO3。
(3)SO3與NH3、Ti和Fe結(jié)合生成硫酸銨、硫酸鈦和硫酸鐵。

圖9 Fe-Mn/Ti催化劑SO2中毒機(jī)理
(1)Ti、Fe/Ti、Mn/Ti以及Fe-Mn/Ti催化劑SO2中毒時(shí)均會(huì)發(fā)生Ti的硫酸化中毒。
(2)在NH3-SCR氣氛下比SO2氣氛下中毒更嚴(yán)重,O2存在使SO2更容易被氧化,導(dǎo)致催化劑中毒更嚴(yán)重。
(3)Fe的加入明顯提高Fe-Mn/Ti催化劑中Mn的價(jià)態(tài),并且Mn會(huì)與Fe形成復(fù)合氧化物,抑制Mn硫酸化。
(4)增強(qiáng)Mn基催化劑的抗硫性,不僅需要提高活性組分抗硫性,也需要提高載體的抗硫性。而抗硫的關(guān)鍵是抑制SO2吸附,因此增加催化劑表面的酸性尤其是載體的表面酸性是改進(jìn)Mn基催化劑抗硫的關(guān)鍵。