炭基材料在室温下对硫化氢的催化氧化研究

发布时间：2017-12-25 16:03

本文关键词：炭基材料在室温下对硫化氢的催化氧化研究　出处：《华东理工大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：硫化氢作为一种高毒性、高腐蚀性的气体污染物,给工业生产和人身安全带来了巨大的安全隐患。在诸多的脱硫方法中,炭材料在室温下可以将硫化氢催化氧化成单质硫,这种脱除方法具有硫容大、精度高、无二次污染等优势。然而,商业化的微孔活性炭的孔容和孔径较小,导致脱除能力普遍较低。相比微孔炭,中孔炭具有更加优异的脱除性能,在密闭空间内具有不可替代的优势。然而中孔炭的孔结构和碱性修饰的协同作用仍然揭示不足,另外中孔炭还存在制备过程复杂、成本高昂等问题。针对以上问题,本论文从炭材料的孔结构和碱改性角度出发,开展中孔炭催化剂对硫化氢催化氧化的系统性研究,并探讨高性能催化剂的低成本制备,初步探索碱性氧化石墨烯对硫化氢的高效脱除。本文的主要研究内容和结论包括:(1)中孔炭球的制备、改性及催化氧化H_2S的研究。采用悬浮辅助的硬模板法制备出公斤级的中孔炭球,中孔炭球具有高的机械强度、发达的中孔结构和高的孔容,是一种优良的催化剂载体。担载MgO后,催化剂的穿透硫容高达2.46gH_2S/g催化剂,是目前商用活性炭催化剂的4倍左右。另外,MgO具有比其他碱性物质如Na_2CO_3、NaOH、K_2CO_3、KOH等更高的催化性能。通过降低反应温度,提高气流的相对湿度以及降低空速,催化剂可以获得更高的硫容。脱硫产物主要为单质硫和少量的硫酸,脱硫产物存储在中孔炭球的孔道内。(2)层级孔炭脱硫剂的制备及催化氧化H_2S的研究。在前一章工作的基础上,以MgO为碱性担载物,采用具有中孔-大孔结构的层级孔炭块体为载体,以进一步提高催化剂的脱硫性能。系统考察了 MgO的担载量和载体的孔结构对脱硫性能的影响,催化剂的穿透硫容最高可达3.02 g H_2S/g催化剂。层级孔炭发达的孔道可以为产物提供更多的存储空间,而MgO提高了层级孔炭的表面碱性和亲水性。因此,催化剂的脱硫性能受到MgO担载量和载体孔结构的共同影响。脱硫产物主要是单质硫和硫酸,脱硫产物均匀地覆盖在炭的骨架上。(3)简易硅模板法制备碱性中孔炭在室温下高效脱除硫化氢。中孔炭催化剂虽然具有优异的脱硫性能,但其制备过程复杂、成本高昂。本章在硅模板法的基础上,将炭/硅复合物经NaOH刻蚀后直接干燥制备碱性中孔炭,省略了冗长的洗涤和碱浸渍步骤。碱性中孔炭的孔道来源于硅模板被NaOH刻蚀后留下的空间,而强的碱性则来源于残留的刻蚀产物Na_2Si0_3和NaOH。通过改变NaOH的刻蚀浓度和碳前躯体/硅模板的比例可以调节碱性中孔炭的孔容和碱性。发达的孔结构可以作为脱硫产物的存储空间,而强的碱性则有利于硫化氢的解离和催化氧化。因此碱性中孔炭对硫化氢有着超高的脱硫性能,穿透硫容和饱和硫容最高可达2.65和4.49gH_2S/g催化剂。另外,这种简易的硅模板法还具有很强的普遍性,可适用于各种纳米硅模板。(4)碱性氧化石墨烯室温下高效脱除硫化氢。氧化石墨烯特殊的二维平面结构以及丰富的表面含氧官能团使其具有许多独特的物理和化学性质,因此有望成为一种高性能催化剂。本章将GO悬浮液与NaOH溶液混合后冷冻干燥可以直接制备出碱性氧化石墨烯,NaOH脱除了氧化石墨烯片层上的部分含氧官能团,导致了氧化石墨烯的部分还原。NaOH的担载提高了氧化石墨烯的碱性,大大提高了催化剂的脱硫性能,穿透硫容最高可达4.48 gH_2S/g催化剂,远高于目前报道的最优的中孔炭催化剂。脱硫产物主要是单质硫,单质硫形成微米级的大块颗粒,覆盖在氧化石墨烯片层的表面。
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O643.36

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