含氰废气的催化燃烧及其量化计算的研究
本文针对含氰废气催化燃烧反应体系，从量化计算和实验评价两方面探究反应机理，计算反应能垒，对多种分子筛催化剂进行活性评价，比较其转化率与目标产物选择性，并且对于部分催化剂进行实验表征，讨论催化剂结构对于含氰废气催化燃烧反应体系的影响，主要内容和结论如下:
1.本论文采用旋转蒸发法将部分过渡金属负载到分子筛表面共制备了18种催化剂应用于HCN催化燃烧体系，实验结果表明:
①单位质量ZSM-5的表面负载5种不同种类相同物质的量的过渡金属，其中Cu-ZSM-5催化剂无论在低温活性、高温稳定性、产物选择性方面相比于其他4种催化剂均具有较大的优势。
②比较负载质量分数同为5％Cu的不同构型的6种微孔分子筛催化剂，Cu-ZSM-5相比于其他催化剂在HCN转化率方面存在明显劣势，但在目标产物的选择性方面，Cu-ZSM-5催化剂则最为优异。
③比较负载相同质量分数的不同Si/Al比的Cu-ZSM-5催化剂，降低硅铝比，HCN的转化率略有升高，并且N2的选择性则大幅上升。
④比较4种介孔分子筛催化剂的催化活性，相对微孔催化剂在HCN的转化率方面没有明显差别，但在N2的选择性方面，Cu-ZSM-5、Cu-MCM-22等微孔分子筛催化剂明显优于介孔分子筛催化剂。
⑤对上述的部分催化剂进行表征，XRD表明负载后的分子筛骨架结构没有改变。H2-TPR表明Cu-ZSM-5在较低温度下呈现的还原峰表现出该样品很强的氧化/还原性能。在N2的吸脱附表征中发现经过渡金属改性后的分子筛仍然具有大比表面积等特性。
2.本论文选取具有代表性的4种微孔分子筛催化剂应用于乙腈催化燃烧体系，结果表明:4种催化剂在乙腈转化率方面差别不大，其中低温活性最好的是Cu-MOR催化剂，除Cu-MCM-49催化剂产生部分CO之外，其他催化剂均表现出较好的CO2的选择性，在N2的产率方面，350℃以后各催化剂N2产率均有下滑，其中Cu-ZSM-5与Cu-MCM-49两种催化剂N元素的选择性明显优于另外两种催化剂。
3.本论文采用Gaussian03软件，以HCN作为反应物来研究含氰废气催化燃烧反应体系的反应机理。先将HCN分子吸附在催化剂表面，并经一步过渡态，跨越最高能垒(△E=74.74 Kcal/mol)，形成了中间体NCO(ad)。NCO(ad)中间体可以被催化剂表面的活性氧原子进一步氧化生成CO2，反应能垒△E=77.82 Kcal/mol。所剩余的N原子可以两两反应生成N2，反应能垒为△E=23.06 Kcal/mol，也可以被氧化生成NO与NO2等副产物，反应能垒分别约为△E=49.71 Kcal/mol、△E=46.83 Kcal/mol。此外，两分子的NCO(ad)中间体也可以自身进行反应生成N2，在没有催化剂的情况下反应能垒为△E=120.70 Kcal/mol，而在催化剂的表面，以上反应能垒仅为△E=57.81 Kcal/mol。
含氰废气;催化燃烧法;量化计算;反应机理
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
张润铎
2013
中文
X701
86
2013-12-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）