稀土掺杂锰基复合氧化物催化甲苯燃烧性能及安全分析

发布时间：2020-11-02 16:14

　　 挥发性有机污染物(VOCs)是PM2.5和臭氧形成的关键前驱体,易造成雾霾、光化学烟雾等严重的大气环境污染问题,并且具有生理毒性,对环境和人体健康危害巨大。在众多降解VOCs方法中,催化燃烧技术因净化效率高、起燃温度低、绿色环保等优势,被认为是最有效和最有应用前景的VOCs净化技术。非贵金属催化剂具有原料丰富、价格低廉等优点,但催化燃烧温度较高,因此,低温高效且热稳定性强的催化剂的开发成为VOCs催化燃烧分解技术的重点。本文以甲苯作为VOCs典型污染物,采用浸渍法,以γ-Al_2O_3为载体,Mn为基础元素,分别掺杂Cu、Ni、Co过渡金属元素,制备了Cu-Mn、Ni-Mn、Co-Mn负载型金属氧化物催化剂。考察了Cu/Mn摩尔比、负载量、焙烧温度、浸渍方法对催化甲苯燃烧性能的影响。结果表明,当Cu/Mn摩尔比1:2、负载量15%、焙烧温度450℃,260℃下可以将甲苯完全转化为CO_2。采用XRD、BET、TPR和SEM表征手段对催化剂进行分析,结果表明,催化剂中CuMn_2O_4尖晶石的形成有利于催化剂还原温度的降低,且活性粒子结晶度较低,使得它在载体表面不易发生团聚,从而促进催化剂活性的提高,并且对Cu-Mn、Ni-Mn、Co-Mn催化剂的催化活性进行对比,结果表明,三种催化剂的催化活性顺序为Cu-MnNi-MnCo-Mn。通过XRD表征表明,Ni、Co元素对Mn的掺杂不易形成尖晶石结构,是导致催化活性降低的主要原因。此外,研究了稀土Ce对Cu-Mn催化剂的掺杂改性,考察了CeO_2掺杂量对甲苯催化燃烧性能的影响,在CeO_2含量为1%-7%范围之间,当CeO_2含量为5%时,该催化剂在235℃下可将甲苯完全转化为CO_2。XRD表明,随着CeO_2含量的增加,CuMn_2O_4尖晶石的衍射峰逐渐消失,表明CeO_2的加入提高了活性组分的分散度,促进了反应物与活性物种的接触面积;经TEM表征得出,活性组分高分散在载体表面,且发现CuO、MnO_2和CeO_2混合晶相,表明混晶的存在是提高催化活性的主要原因。通过预先危险分析法对系统工艺进行了安全分析,结果表明,工艺中由甲苯引起的火灾爆炸事故属于重大事故,需严格控制工艺条件,并结合事故引发的因素制定相关的防护措施,以期降低事故发生的概率,从而达到安全生产的目的。
【学位单位】：重庆科技学院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O643.3;X701
【部分图文】：

10 20 30 40 50 60 70 80▼▼★ - CuMn2O4△ - Al▼ - CuO2O3★★★★▼▼▼▼△△20%15%10%5%2θ（ °）Al2O3图 3.4 负载量 Cu-Mn2/γ-Al2O3催化剂的 XRD 谱图Fig3.4 XRD spectra of loading Cu-Mn2/γ-Al2O3catalysts3.4.2 SEM 表征

图 4.3 Ce 掺杂前后铜锰催化剂 SEM 谱图Fig4.3 Cu-Mn Catalyst SEM Spectra before and After Ce Doping图 4.3 中（a）、（c）为未掺杂 CeO2的 Cu-Mn 催化剂放大 2000 倍的 SEM 图，（b）、（d）为掺杂 5%CeO2的 Cu-Mn 催化剂放大 10000 倍的 SEM 图。由（a）、（b）可以看出，掺杂5% CeO2后的Cu-Mn催化剂颗粒大小明显小于Cu-Mn催化剂，分布均匀细密，几乎无颗粒团聚现象发生，表明 CeO2的加入促进了活性组分在载体表面的分散，这与a bc d

重庆科技学院硕士专业学位论文 稀土 Ce 掺杂 Cu-Mn/γ-Al2O3催化燃烧甲苯性能研究XRD 分析结果一致。图（c）、（d）可以看出，掺杂 5% CeO2催化剂的颗粒表面可以看到微孔道的存在，而未掺杂 CeO2的催化剂孔道明显被 Cu、Mn 活性组分填充，表面几乎被覆盖，这也一定程度上证实了适量 CeO2的加入可以起到分散活性组分的作用。4.3.4 TEM 表征图 4.4 为负载型 Cu-Mn-Ce 复合氧化物的的透射电镜图。由图中可以看出，活性粒子均匀的分散在载体上，形成较小的颗粒，因此在 XRD 测试结果中未能发现 Cu、Mn粒子的存在，且为多晶衍射花样，说明催化剂中活性粒子主要以多晶形式存在。通过DM 软件测量得知，晶格间距 d= 0.211，d=0.231，d= 0.191 分别归属于 MnO2（101）晶面、CuO（200）晶面和 CeO2（220）晶面。由此表明催化剂中除了有 CeO2晶相外，还存在 CuO、MnO2的单独晶相。
【参考文献】

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本文编号：2867267