电镀污泥衍生的过渡金属负载石墨烯类特征结构对NO的选择性催化还原行为及作用机制

发布时间：2018-12-27 19:59

【摘要】：随着现代工业及运输业的快速发展,氮氧化物(NOx)的排放所产生的环境问题越来越受到国内外的关注。NOx污染不仅会引起酸雨、温室效应、光化学烟雾及臭氧层损耗,还会引起人类呼吸道及心血管疾病等多种疾病,因此寻找有效的氮氧化物处理技术迫在眉睫。氮氧化物的选择性催化还原(NO-SCR)是应用最为广泛的一种脱硝技术,其关键在于设计高效催化剂及还原剂。近年来,碳基负载过渡金属催化剂是高效NO-SCR的研究方向。电镀污泥是含大量重金属的危险废弃物,从其高附加值资源化和以废治废的指导思想出发,我们在前期研究中发现电镀污泥热解产物在300 oC的低温下,无需外源还原剂,对NO的去除率接近100%。研究同时发现电镀污泥衍生催化剂突出的NO-SCR反应活性与其含有的高活性过渡金属催化剂及高效碳还原剂组分直接相关,其关键在于驱动电镀污泥形成过渡金属负载高活性碳结构。本论文在此研究的基础上,探索利用有机物废水预处理手段优化电镀污泥衍生催化剂,提升高效碳形态及含量;建立过渡金属负载氧化石墨烯模拟体系,探索优化后电镀污泥衍生催化剂的高效NO-SCR结构单元及作用机理,研究结果揭示了电镀污泥衍生催化剂具有复合过渡金属负载石墨烯类结构特征的重要发现,主要研究过程和结论如下:(1)有机废水改性的电镀污泥衍生催化剂结构有利于提升NO-SCR性能针对电镀污泥衍生催化剂性能受其高活性碳组分含量低限制的问题,通过有机废水浸泡电镀污泥的方法,探讨优化后电镀污泥衍生催化剂NO-SCR性能的提升。研究结果表明:经有机废水浸泡后,电镀污泥衍生催化剂碳含量明显提升,从3.2%提升至8.7%,催化剂在200 oC低温下对990 ppm NO的去除率由4%提升至50%;在400 oC,14400 h-1空速下催化剂对990 ppm NO在160 min保持去除率99.9%;Fe(OH)3及Fe2O3经有机废水浸泡后,在300 oC下对NO去除率从10%分别提升至40%及90%;研究同时发现焦化废水浸泡相比印染、含油废水对电镀污泥衍生催化剂在低温活性和实现NO完全分解所需温度上具有优势,在100 oC时对NO去除率达20%,300 oC下去除率接近100%。因此,碳组分种类及相应含量对于污泥衍生催化剂NO-SCR性能的优化具有决定性的意义。(2)过渡金属负载氧化石墨烯催化剂对NO污染物的高效SCR分解从电镀污泥热解后产物中过渡金属与碳复杂共存的特点出发,首先比较了氧化石墨烯(GO)与活性炭、金属负载的GO、石墨粉及活性炭的NO-SCR活性,结果表明GO与其它碳源相比在性能上有明显优势:在200 oC下GO对NO去除率相比商用活性炭高25%;在300 oC,负载金属GO对NO去除率接近100%,比负载金属的活性炭和石墨分别高40%和80%。金属与GO混合方式对催化剂活性有重要影响:物理混合的催化剂,在300 oC下对NO的去除率仅为5%,而Fe与GO化学混合的催化剂(FeGO)在300 oC下对990 ppm NO的去除率接近100%。进一步研究发现,20%(mol/mol)Cu或Cr掺杂能够明显提升FeGO的NO-SCR性能,150 oC时Cu或Cr掺杂分别提升了40%和70%的NO去除率。通过比较发现,FeGO与优化后污泥衍生催化剂NO-SCR性能类似,这可能是由于两者在反应机理上具有类似性。(3)电镀污泥改性后形成过渡金属负载石墨烯类特征结构具有良好NOSCR性能基于优化后电镀污泥衍生催化剂体系和过渡金属负载氧化石墨烯体系高活性的NO分解能力,通过XRD、XPS、TPD、TPR及Raman等表征技术集成,探讨有机物组分的增加对于电镀污泥衍生催化剂NO-SCR性能的提升及作用机制,并发现Fe(Cu/Cr)OGO材料中C-M-O结构为NO-SCR高效作用单元。MeGO类催化剂以Me为催化反应中心,GO作为还原剂,通过C-M-O结构单元实现NO的高效去除,催化剂表面含氧基团及金属掺杂促进了C-O之间物质及电子转移,即CO2/CO的生成及Me O的还原,从而实现高效NO-SCR。电镀污泥对于有机物,特别是环状有机物有较强吸附能力,而吸附有机物的电镀污泥衍生催化剂材料经活化后其所含碳组分为石墨烯类的片层碳结构。优化后电镀污泥活化产物具有高NO-SCR性能的原因是产生了复合过渡金属负载石墨烯类结构。
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【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X781.1;O643.31

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