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一种掺杂镧的纳米二氧化钛负载金脱硝催化剂的制备
* 来源: 河北麦森 * 作者: * 发表时间: 2016-04-29 09:28:25
一种掺杂镧的纳米二氧化钛负载金脱硝催化剂的制备
张建平1、张川1、张千2
(1. 河北麦森钛白粉有限公司总工程师 2. 河北麦森钛白粉有限公司工程师)张建平1、张川1、张千2
摘要：采用微乳液法、沉积-沉淀法和共沉淀法制备掺杂镧的纳米二氧化钛负载金催化剂，用SCR烟气装置实验室测定氮氧化物的脱除率。
关键词：纳米二氧化钛、掺杂镧、微乳液、沉积沉淀法、脱硝催化剂
Abstract：Using microemulsion method, deposition precipitation method and co precipitation method for the preparation of lanthanum doped nanometer titanium dioxide supported gold catalyst, using selective catalytical reduction device laboratory determination of nitrogen oxide removal rate。
Keywords：nano-titania;microemulsion;lanthanum doping;Denitration catalyst
一、引言
TiO2光催化剂是一种非常有发展前途的NOX 废气的污染治理材料，但是由于光催化反应速率低，限制了其在工业中的应用，因此，贵金属(Pt、Ru、Au)掺杂改性是目前公认的提高TiO2 光催化反应性能的一种较有效的方式。Au作为活性组分具有较好的催化效果，且其价格相对于铂、钯等贵金属较为低廉，能从一定程度上降低了原材料的成本;而以具有多相光催化性能的半导体二氧化钛(TiO2)为载体，将会兼具二者的优势，与活性组分产生协同效应。可是，Au/TiO2催化剂的主要缺点就是热稳定性差，一般在300℃以上焙烧时就会部分或者完全失活，由于脱硝催化剂的工作环境是在320℃——450℃，这就使得改善Au/TiO2催化剂的热稳定性成为必须解决的问题。
河北麦森钛白粉有限公司采用国外先进科技生产脱硝催化剂专用纳米钛白，在研究中发现，La2O3作为一种结构助剂，对表面高分散的贵金属具有较好地热稳定性，向TiO2中掺杂少量的La3+可以提高TiO2 的热稳定性，改善催化活性，而且热稳定性有明显提高。
二、实验部分
2.1 主要试剂和仪器
试剂：四氯化钛(TiCl4)，分析纯;硝酸镧(La(NO3) •6H2O)分析纯，正丁醇(C4H10O),分析纯;磷酸三丁酯(C4H9)3PO4，TBP
，分析纯;油酸(C18H34O2)，分析纯 ;C-SAA;NaOH ，化学纯。
2.2 反应溶液的配制
2.2.1微乳液的配制
微乳体系1：油酸/正丁醇/2mol•L -1 NaOH微乳液，油酸、正丁醇和2mol•L -1 NaOH水溶液体积比为1：1：2.4。
微乳体系2：油酸/正丁醇/3mol•L -1 NaOH微乳液，油酸、正丁醇和3mol•L -1 NaOH水溶液体积比为1：1：1.6。
微乳体系3：油酸/正丁醇/4mol•L -1 NaOH微乳液，油酸、正丁醇和4mol•L -1 NaOH水溶液体积比为1：1：1.2。
上述微乳体系1、2、3 中的NaOH的物质的量相同，W/O的比例不同。
2.2.2 四氯化钛油溶液的配制
四氯化钛具有强烈水解和易溶于油相的特性，因此将四氯化钛直接溶于油相可避免四氯化钛遇水时发生强烈水解反应而产生大量酸雾，污染环境。依照TiCl4 ：油酸：正丁醇(体积比)=1:2:2 配制一定体积的四氯化钛油溶液。其中，油相为油酸与正丁醇，体积比为1:1的混合液，并加入5%(体积比)的TBP，避光保存使用。
2.3 纯纳米二氧化钛的制备
取30mL微乳液放进电磁搅拌器中，用量筒量取10mL四氯化钛油溶液，将其缓慢加入微乳液中，加入C-SAA，常温下充分反应30min，反应得到H2TiO3沉淀;沉淀先用丙酮及无水乙醇洗涤，然后再105℃下干燥2h，基本除去水分及易挥发有机物，得到固体粉末;用研钵研细，再用蒸馏水洗涤至用0.1 mol•L -1 的硝酸银溶液都不能检验到白色沉淀为止;将沉淀物在105℃下干燥1h，然后在高温炉中550℃下干燥2h，得到4种纯纳米TiO2粉末。
2.4 掺镧纳米二氧化钛的制备
取30mL微乳液放进电磁搅拌器中，称取一定量的硝酸镧(分别以La所占物质的量之比为0.3%、0.8%、1.2%、2%称取样品)，各溶解于10mL TiCl4 /油酸/正丁醇油溶液中，将其缓慢加入微乳液中，常温下充分反应30min，反应得到H2TiO3沉淀;沉淀先用丙酮及无水乙醇洗涤，然后再105℃下干燥2.5h，基本除去水分及易挥发有机物，得到固体粉末;用研钵研细，再用蒸馏水洗涤至用0.1 mol•L -1 的硝酸银溶液都不能检验到白色沉淀为止;将沉淀物在105℃下干燥1h，然后在高温炉中550℃下干燥2h，得到5种掺杂镧的纳米TiO2粉末。
2.5 Au/TiO2与Au/La-TiO2的制备
分别采用TiO2和La-TiO2为载体，用沉积一沉淀法制备理论负载量为1%(Au对载体的质量百分数)的金催化剂。 以NaOH溶液作为沉淀剂。首先用l mol/L的Na0H溶液将142.3 mL 1.00 mmol/L 的HAuCl4溶液的pH值调为8，然后将3 g TiO2粉末加入到上述HAuCL4溶液中，此时溶液的pH值会不断地下降.继续加NaOH溶液调节使pH值保持为8。将此悬浮液在70℃下剧烈搅拌2.5 h，此过程中悬浮液的颜色由乳白色逐渐变成苍白的浅紫色。悬浮液冷却后测得的pH值约为8。样品经洗涤、过滤、室温下干燥，于不同温度下焙烧4 h，得到Au/TiO2催化剂。Au/La-TiO2催化剂的制备方法与上同，只是将3g La-TiO2粉末加入到HAuCL4的NaOH溶液中，其他步骤相同。
三、 应用结果
不同载体负载的金催化剂光催化氧化NOx的结果见表1。
表 1 不同温度焙烧的负载金催化剂催化氧化NOx的活性
| 样品 | 不同温度样品的反应活性 | |||
| 300℃ | 350℃ | 400℃ | 450℃ | |
| Au／TiO2 | 14 | 19 | 26 | 86 |
| Au／La- TiO2 | 11 | 18 | 25 | 53 |
四、 脱硝性能试验
脱硝试验在不锈钢管式固定床SCR反应器中进行(图1)，内径为10 mm。催化反应器为外部电加热，用插入催化剂层的热电偶测量温度。温控仪控制反应温度(精度为±1℃)。
试验采用标准钢瓶气模拟电厂烟气。由于典型烟气NOx中NO占95%以上，NO2的影响很小，可以忽略，所以试验中的NOx采用NO代替。进气组成为ψ(NO)=l 000μL/L、ψ(O2)=5%，N2为平衡气，还原剂采用钢瓶ψ (NH3)==l 000μL/L，总烟气量72 L/h。分别取3 g粒径为0.3-1 m的不同催化剂进行测试。空速比nsv=2.4x104 /h。各路气体经质量流量计后进入气体混合器混合再进入NH3混合器。NH3直接通过NH3混合器通入反应器。
每个工况稳定10 min。气体组分采用Rosemount NGA 2000烟气分析仪测量，该仪器可在线测量NO脱除率。为避免NH3对NO，测试的影响，烟气在进入NGA 2000之前用磷酸溶液洗涤脱除NH3，管道全程保温。(因本文的重点是对几种载体的性能进行比较，故采用了较为理想的状态，实际烟气中含有的SO2等其他气体以及飞灰等对催化剂的影响未考虑)。
脱硝性能比较见图2
根据试验可知，La掺杂能使纳米二氧化钛负载金催化剂的光催化活性提高，提高NOx脱除率，对烟气治理等具有非常重大的意义。
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