炭基材料对封闭空间内微量乙烯等中性气体的脱除研究

发布时间：2017-09-09 04:04

  本文关键词：炭基材料对封闭空间内微量乙烯等中性气体的脱除研究

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【摘要】：封闭空间内微量乙烯等中性气体的脱除,对于舰船内人员的生命保障具有重要的意义。在舰船的果蔬贮存间内,有害的微量中性气体主要包括乙烯、一氧化碳和甲醛等。其中,乙烯是一种植物激素,能促进果蔬腐败、降低果蔬储藏时间,从而影响船员远航能力；一氧化碳和甲醛是果蔬贮存间内共存的毒害气体,直接危害舰船内人员的生命安全。目前,对封闭空间内低浓度乙烯的脱除研究较少,对封闭空间中乙烯、一氧化碳和甲醛等中性气体的广谱脱除研究也存在较大空白。本工作以炭基材料为基础,从吸附的角度出发,研究了球形中孔炭对乙烯的吸附行为；在中性气体的催化脱除方面,制备了球形中孔炭担载钴催化剂、贵金属-石墨烯气凝胶催化剂、金属氧化物催化剂等,研究了其对乙烯催化行为；并进一步采用制备的乙烯催化剂,考察了催化剂对一氧化碳和甲醛的脱除效果,探索了催化剂对于中性气体广谱脱除的可能性,以期望对于长时远航舰船的生命保障系统有一定的指导意义。主要结论如下：(1)改性球形中孔炭对乙烯吸附行为的研究。结合反相悬浮聚合法和硬模板法制备了一批球形中孔炭,并考察了孔结构、氮含量、钯负载、乙烯浓度、空速、湿度等工艺条件对乙烯吸附量的影响；球形中孔炭的乙烯吸附量为10.5 mL/g,活化后可增加至18.5 mL/g,负载钯后吸附剂能与乙烯形成π键络合,使吸附量上升至19.4 mL/g;担载5%Pd的球形中孔炭(MCS/Pd-5)对高浓度乙烯(5000 ppm)的吸附量高达24.5 mL/g；同时,该吸附剂具有很高的抗湿性和循环稳定性。(2)球形中孔炭基催化剂催化脱除乙烯。采用球形中孔炭作为载体,用等体积浸渍法制备了一系列氧化钴(CoO)催化剂。担载30%CoO的球形中孔炭(MCS/Co-30)在185℃下即可完全催化脱除乙烯,操作温度远低于以椰壳基活性炭、硅胶和活性氧化铝为载体的催化剂,该催化剂具有良好的催化稳定性。实验分析结果表明,球形中孔炭中丰富的中孔可以容纳大量的CoO并减少了团簇现象,氧气在其表面形成活性氧并进行快速反应。MCS/Co-30的表观反应活化能为79.2 kJ/mol,乙烯在催化剂表面的反应级数为0.44。(3)贵金属-石墨烯气凝胶催化剂脱除乙烯。以氧化石墨烯和Pt、Pd、Au等贵金属化合物为原料,采用溶剂热法制备了具有高强度、高弹性、高比表面积的贵金属-石墨烯气凝胶系列催化剂。初始溶液的最佳pH为7,所得气凝胶密度仅为约4 mg/mL。该催化剂可以在100℃以下完全催化脱除乙烯,其中担载5%铂的石墨烯气凝胶(Pt-GA)对乙烯的催化温度可以低至室温(25℃)。Pt-GA具有抗湿性、长寿命等特点,当Pt的担载量进一步下降至1%时,对乙烯的催化效率依然保持在96%以上。(4)聚合物辅助成型催化剂催化脱除乙烯。采用聚合物辅助成型法制备了具有3D空间网络结构的钻铈复合催化剂和锰铜复合催化剂,并考察了金属组成、空速、乙烯浓度等工艺条件对乙烯催化性能的影响。在钴铈复合催化剂中,随着Ce02的加入,C0304和Ce02的晶粒尺寸趋于变小、具有更高的比表面积、暴露出更多活性位。Co、Ce比例为1的催化剂(Co/Ce-1)在200℃下可以完全催化氧化1000 ppm的乙烯,并具有稳定的催化性能。锰铜催化剂由Mn203和CuO组成,Cu、Mn比例为0.5的催化剂(Cu/Mn-0.5)可以在235℃下达到乙烯的100%转化。(5)一氧化碳和甲醛等中性气体催化剂的探索研究。制备了低密度、高强度、高柔性的钌-石墨烯气凝胶催化剂,用于一氧化碳的脱除,经过空气处理后,RuOx和Ru02的含量升高,更有利于催化反应,能在室温下完全脱除500 ppm的CO,并可保持72 h以上。同时,测试了Co/Ce-1催化剂的一氧化碳催化性能,其能在30℃下完全催化氧化100 ppm的CO气体,并具有很高的循环稳定性,表现出了对乙烯和一氧化碳的广谱催化性能。Pt-GA催化剂能在室温下完全催化脱除一氧化碳和甲醛,表现出了对了乙烯、一氧化碳和甲醛等中性气体的室温广谱催化脱除性能。
【关键词】：炭材料 乙烯 中性气体 吸附 催化
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U674.703;TQ028.15
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-28
• 1.1 乙烯的来源与危害13-14
• 1.2 乙烯的脱除方法14-19
• 1.2.1 吸附法14-17
• 1.2.2 直接氧化法17-18
• 1.2.3 催化氧化法18
• 1.2.4 生物过滤法18-19
• 1.3 常用的乙烯脱除剂19-22
• 1.3.1 乙烯吸附剂19-21
• 1.3.2 乙烯催化剂21-22
• 1.4 用于乙烯脱除的新材料22-23
• 1.4.1 球形中孔炭22
• 1.4.2 石墨烯气凝胶22-23
• 1.5 其他中性气体的脱除23-25
• 1.5.1 一氧化碳催化剂24-25
• 1.5.2 甲醛催化剂25
• 1.6 课题的提出25-28
• 第2章 改性球形中孔炭对乙烯吸附行为的研究28-47
• 2.1 引言28
• 2.2 实验部分28-33
• 2.2.1 原料及试剂28-29
• 2.2.2 主要设备仪器29
• 2.2.3 吸附剂的制备29-31
• 2.2.4 分析表征31-32
• 2.2.5 吸附剂性能考察32-33
• 2.3 结果与讨论33-46
• 2.3.1 球形中孔炭的形貌及结构表征33-36
• 2.3.2 孔结构的影响36-38
• 2.3.3 氮含量的影响38-41
• 2.3.4 钯担载的影响41-43
• 2.3.5 乙烯浓度的影响43-44
• 2.3.6 湿度的影响44-45
• 2.3.7 吸附剂循环性能45-46
• 2.4 本章小结46-47
• 第3章 球形中孔炭基催化剂催化脱除乙烯47-71
• 3.1 引言47
• 3.2 实验部分47-51
• 3.2.1 原料及试剂47-48
• 3.2.2 主要设备仪器48
• 3.2.3 催化剂的制备48-49
• 3.2.4 分析表征49-50
• 3.2.5 催化剂性能考察50-51
• 3.3 结果与讨论51-69
• 3.3.1 催化剂的结构表征51-57
• 3.3.2 催化剂的活性表征57-63
• 3.3.3 催化剂的乙烯催化性能考察63-65
• 3.3.4 反应条件对催化性能的影响65-67
• 3.3.5 反应活化能和反应级数的计算67-69
• 3.4 本章小结69-71
• 第4章 贵金属-石墨烯气凝胶催化剂脱除乙烯71-93
• 4.1 引言71
• 4.2 实验部分71-74
• 4.2.1 原料及试剂71-72
• 4.2.2 主要设备仪器72
• 4.2.3 催化剂的制备72-73
• 4.2.4 分析表征73
• 4.2.5 催化剂性能考察73-74
• 4.3 结果与讨论74-92
• 4.3.1 初始溶液pH对贵金属-石墨烯气凝胶形貌的影响74-78
• 4.3.2 贵金属-石墨烯气凝胶的表征78-85
• 4.3.3 贵金属-石墨烯气凝胶对乙烯的脱除85-86
• 4.3.4 铂-石墨烯气凝胶催化脱除乙烯的条件实验86-89
• 4.3.5 铂-石墨烯气凝胶的金属含量调节及性能考察89-92
• 4.4 本章小结92-93
• 第5章 聚合物辅助成型催化剂催化脱除乙烯93-112
• 5.1 引言93-94
• 5.2 实验部分94-97
• 5.2.1 原料及试剂94
• 5.2.2 主要设备仪器94
• 5.2.3 催化剂的制备94-95
• 5.2.4 分析表征95
• 5.2.5 催化剂性能考察95-97
• 5.3 结果与讨论97-110
• 5.3.1 钴铈催化剂的表征97-103
• 5.3.2 钴铈催化剂的乙烯催化性能考察103-105
• 5.3.3 反应条件对钴铈催化剂性能的影响105-107
• 5.3.4 锰铜系列催化剂的表征与性能考察107-110
• 5.4 本章小结110-112
• 第6章 一氧化碳和甲醛等中性气体催化剂的探索研究112-129
• 6.1 引言112
• 6.2 实验部分112-116
• 6.2.1 原料及试剂112-113
• 6.2.2 主要设备仪器113
• 6.2.3 催化剂的制备113-114
• 6.2.4 分析表征114
• 6.2.5 一氧化碳催化性能的考察114-115
• 6.2.6 甲醛催化性能的考察115-116
• 6.3 结果与讨论116-128
• 6.3.1 钌-石墨烯气凝胶的形貌及结构表征116-117
• 6.3.2 改性钌-石墨烯气凝胶的表征117-120
• 6.3.3 钌-石墨烯气凝胶的一氧化碳催化性能120-121
• 6.3.4 钴铈催化剂的一氧化碳催化性能121-123
• 6.3.5 铂-石墨烯气凝胶的一氧化碳、甲醛催化性能123-128
• 6.4 本章小结128-129
• 第7章 论文结论及今后工作展望129-132
• 7.1 论文的主要结论129-130
• 7.2 本论文的创新之处130-131
• 7.3 今后工作展望131-132
• 参考文献132-147
• 作者简介及发表论文情况147-149
• 致谢149

【参考文献】

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本文编号：818181