AgMn/HZSM-5催化剂上臭氧氧化脱除模拟空气中苯和氨的研究
苯和氨是常见的空气污染物，其对人体健康和生态环境造成了极大的危害。治理苯和氨的空气污染刻不容缓。在众多苯和氨污染的治理技术中，催化氧化法是一种最常用的有效方法。其中，臭氧催化氧化法(Ozone Catalytic Oxidation，OZCO)，因以臭氧作氧化剂，其具有低温下反应速率快和污染物脱除效率高等优势，近年来受到了人们广泛的关注。 本论文采用等体积共浸渍法制备了HZSM-5(HZ)分子筛负载的Ag-MnOx双组份催化剂(AgMn/HZ)，将其应用于臭氧催化氧化脱除模拟空气中苯和氨的研究，并与HZ、Ag/HZ和Mn/HZ催化剂进行了比较。通过BET、XPS、H2-TPR和UV-Vis漫反射光谱技术对催化剂的物理化学性质进行了分析。另外，论文还开展了AgMn/HZ催化剂上循环的“吸附-空气放电”等离子体催化脱除苯的探索性研究。主要取得以下结果: 1、在OZCO脱除苯的反应中，与HZ、Ag/HZ和Mn/HZ催化剂相比，AgMn/HZ催化剂不但具有最高的苯和O3转化率，而且具有最高的CO2选择性和最低的CO选择性。Mn3+是分解O3的主要活性位，并且AgMn/HZ催化剂上的O3分解活性与其Mn3+含量呈正相关性，这可归因于Mn3+易将电子转移给O3使其分解。当Mn担载量较低时(＜2.4wt.％)，AgMn/HZ催化剂的初活性随Mn担载量的增加而升高;当Mn担载量较高时（＞2.4 wt.％），其初活性随Mn担载量的增加基本不变。另一方面，AgMn/HZ催化剂的失活速率随Mn担载量的增加呈先减慢后加快的趋势，并且当Mn担载量为2.4wt.％时，AgMn/HZ催化剂失活最慢。根据反应后催化剂的程序升温氧化(TemperatureProgrammed Oxidation，TPO)表征可知，碳物种残留量最少是其失活最慢的主要原因。与干气相比，水汽的加入不但能够显著地提高AgMn/HZ催化剂的初活性，而且能够有效地减缓催化剂失活。当绝对湿度为0.1-0.2 vol.％时，初活性最高且失活最慢。此外，适当增加反应温度不但能够提高AgMn/HZ催化剂的活性和稳定性，而且能够提高目标产物CO2的选择性。当反应温度为80℃，O3与C6H6的初始浓度比为9.5时，在空速约为283000 mL·h-1·g-1条件下，AgMn/HZ催化剂上的苯转化率维持在100％左右，并且O3转化率在90％以上，CO2选择性约为80％。 2、为了探讨AgMn/HZ催化剂上臭氧氧化苯的反应机理，开展了预吸附苯的OZCO反应研究。首先，通过程序升温脱附（Temperature Programmed Desorption，TPD）和原位红外光谱手段研究了苯的吸附位，结果表明，在AgMn/HZ催化剂上，苯优先吸附于Ag吸附位，当其接近饱和时，苯再吸附于HZ载体吸附位。其次，通过比较预吸附苯的OZCO反应中HZ、Mn/HZ、Ag/HZ和AgMn/HZ催化剂上的气相产物及反应后的TPO和TPD结果，揭示了AgMn/HZ催化剂上Ag和MnOx的作用:Ag促进了预吸附苯完全氧化为CO2; MnOx提高了O3分解速率和Ag吸附位上苯的臭氧氧化速率。另外，与干气相比，水汽的加入促进了预吸附苯氧化为COx（CO2和CO），减少了残留的苯和氧化反应副产物在催化剂表面的累积。 3、在OZCO脱除氨的反应中，与HZ、Ag/HZ和Mn/HZ催化剂相比，AgMn/HZ催化剂不但具有最高的氨和O3转化率，而且稳定性好，氧化产物主要为N2。当O3与NH3的初始浓度比为1.73时，在室温和空速高达约150000 mL·h-1·g-1条件下，AgMn/HZ催化剂上的氨转化率和N2选择性分别高达约99％和94％。接着，考察了反应温度对AgMn/HZ催化剂上臭氧氧化氨的影响。最后，通过比较预吸附氨的OZCO反应与臭氧氧化氨反应的气相产物并结合反应后催化剂的TPD与红外光谱表征，提出了AgMn/HZ催化剂上臭氧氧化氨的反应途径。 4、在AgMn/HZ催化剂上循环的“吸附-空气放电”等离子体催化脱除苯的研究中，与HZ、Mn/HZ和Ag/HZ催化剂相比，AgMn/HZ催化剂具有最高的苯穿透容量，约为单纯HZ载体的三倍。接着，考察了放电工艺参数对AgMn/HZ催化剂上吸附态苯氧化的影响。在循环的“吸附-空气放电”脱除苯的反应中，在空速约为20000 mL·h-1·g-1，输入功率为6W，放电气体绝对湿度为0.4 vol.％和放电时间为25 min条件下，前三次循环的吸附态苯转化率随循环次数的增加而快速提高;自第三次循环后，吸附态苯几乎可全部转化为CO2。另外，在五次循环中，CO2选择性均保持在100％左右。
空气污染物;污染治理;臭氧催化氧化法;苯脱除;氨脱除
大连理工大学
博士
物理化学
朱爱民
2015
中文
X51;X506
157
2016-06-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）