钯铈复合催化剂氧化降解燃煤烟气多环芳烃研究

论文总字数：20301字

目 录

摘要 3

1 概述 5

1.1 研究背景 5

1.2国内外研究现状 6

1.3 主要研究内容 7

2 实验部分 8

2.1 实验方法 8

2.1.1 催化剂 Pd-CeO₂/13X的制备 8

2.1.2 催化剂的表征 8

2.1.3 催化反应装置 9

2.1.4 PAHs样品的预处理和分析方法 9

2.2 实验仪器与试剂 11

3 结果与分析 13

3.1 催化剂的表征分析 13

3.1.1 催化剂XRD表征分析 13

3.1.2 催化剂BET表征结果分析 14

3.1.3 催化剂SEM表征结果分析 15

3.2 催化剂Pd负载率对多环芳烃催化氧化效果的影响 15

3.3 催化剂中钯铈比对多环芳烃催化氧化效果的影响 18

3.4 不同反应温度下催化剂对PAHs催化效果的影响 20

4 结论 23

5参考文献 24

6致谢 26

钯铈复合催化剂氧化降解燃煤烟气多环芳烃研究

庞震

, China

Abstract: In this paper, the palladium-cerium catalyst was used to degrade the PAHs of coal-fired flue gas. The total removal efficiency of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and the removal efficiency of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) were studied. condition. The results show that the specific surface area decreases after loading Pd. After addition of CeO2, the specific surface area of the catalyst increased obviously when the ratio of palladium to cerium was 1: 1. When the Pd content is more than 0.1%, the loading efficiency of Pd is higher than that of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), and the removal efficiency of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) increases with the increase of Pd loading rate. Has little effect. The removal efficiency of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) increased by 22.46% compared with that of Pd alone. When the catalyst has a palladium-cerium ratio of 1: 1, that is, the catalyst 0.05% Pd-0.05% CeO2 / 13X and the catalyst 0.1% Pd-0.1% CeO2 / 13X are better for the catalytic oxidation of polycyclic aromatic hydrocarbons. When the temperature is low, the removal efficiency of polycyclic aromatic hydrocarbons increases rapidly with the increase of reaction temperature. When the reaction temperature reached 275 ℃, the removal efficiency of PAHs reached the peak value.

1 概述

1.1 研究背景

如今，化石燃料占据着全世界一次能源消费量的绝大部分，是最主要的能源资源，尽管它被认为是全球变暖和城市污染的主要推动者之一。根据预测，化石燃料的主导地位可能在2025年之前达到顶峰，此后将会下降。作为产煤大国，我国的能源结构中，煤炭占比接近三分之二，然而燃煤产生的多环芳烃，已成为环境污染中的重要问题^[1]。

多环芳烃polycyclic aromatic hydrocarbon(简称PAHs)是指具有两个或两个以上苯环的一类有机化合物。多环芳烃是分子中含有两个以上苯环的碳氢化合物，包括萘、蒽、菲、芘等 150余种化合物^[2]。其“三致”作用（致死、致畸、致突变）及其衍生物的毒性，越来越受到人们的关注^[3]。

多环芳烃的形成可分为自然源和人为源。环境中多环芳烃的天然来源主要是陆地和水生生物的合成、森林和草原火灾、火山爆发等，这些过程中均会产生 PAHs。但是，多环芳烃人为源的数量则随着工业生产的发展大大增加，占环境中P A H s总量的绝大多数。包括化学工业污染源、交通运输污染源、生活污染源和其他人为源。在焦化煤气、有机化工、石油工业、炼钢炼铁等工业排放的废弃物中有大量的多环芳烃，其中焦化厂是多环芳烃污染最严重的一类工厂。飞机、汽车等机动交通工具所排放的废气中也含有相当数量的多环芳烃。在煤炉排放的废气中，致癌性PAHs浓度可达1000μg/m³。如今随着海洋资源的开发，溢油事件也成为PAHs人为源的一大部分。

多环芳烃分布广泛，无论在空气、水体还是土壤中都能发现它们的踪迹，严重威胁着人类健康。 因此，在环境质量评价、环境本底调查等方面对PAHs进行监测显得十分重要。许多国家都将一系列PAHs列入优先监测污染物中。世界上大多数国家都制定了相关法律来控制多环芳烃对环境的危害^[5]。

多环芳烃的常见处理方法可以分为回收技术和降解技术。回收技术是指在一定的条件下通过吸附剂或者渗透膜进行分离，一般有吸附法、低温冷凝技术和生物膜等^[6]；降解技术是指通过生物或化学反应将污染物转化为二氧化碳和水，一般包括燃烧法、生物降解技术、等离子体分解技术、光催化氧化等^[7]。这其中最常用的处理技术是吸附法和燃烧法，但吸附法对污染物的去除不彻底存在二次污染的问题，而燃烧法则能将污染物最终转变成二氧化碳和水，无二次污染。所以燃烧法拥有很好的应用前景。燃烧法又分为直接燃烧法和催化氧化法。和直接燃烧法相比，催化氧化技术能在低温条件下（150℃-400℃），利用催化剂使多环芳烃与氧反应，最后生成无害的二氧化碳和水，同时产生大量热^[8]。

众多的PAHs处理技术中，催化燃烧相比于其他技术，具有能耗低、去除污染物彻底，不会产生二次污染等优点。目前，有关贵金属催化剂和非贵金属催化剂都做了很多研究。但是在燃煤烟气中还存在许多影响多环芳烃催化氧化效果的物质，不同的工况条件对催化效果也有影响。因此，研究高效、稳定和适应性强的用于烟气多环芳烃催化降解的钯铈复合催化剂，对改善大气环境质量有着重要意义。

1.2国内外研究现状

贵金属主要指金、银和铂族金属（钌、铑、钯、锇、铱、铂），贵金属在低温下依然能表现出良好的催化性能，因此学者们对其研究的比较多。常见的贵金属催化剂有Pt/γ- Al₂O₃、Pd/ZrO₂、Au/TiO₂等^[10]。

Lee Byung-Yong^[14]等制备的贵金属催化剂在210℃条件下，甲苯就能被完全燃烧降解。Santos^[15]等人以TiO₂为载体，制备了多种贵金属催化剂，对于甲苯的燃烧实验表明，Pt/ TiO₂和Pd/ TiO₂催化效果最好，同时在光催化降解实验中，各催化剂的降解效率顺序为Pt/TiO₂ gt; Pd/TiO₂ gt; Rh/TiO₂ gt; Au/TiO₂。

近年来，双组份贵金属催化剂也引起了研究者的关注。张婷^[16]等制备了活性组分为0.1%Pt-0.02%Pd的整体式催化剂，在160℃下能完全氧化丙酮，表现出良好的热稳定性和催化活性。张云峰等^[19]制备了系列Pd/γ-Al₂O₃，在300℃下对PAHs的去除率为67%～93%。Hyoung等制备了一系列不同质量比的Pt-Pd/γ-Al₂O₃催化剂，其中0.3% Pt-2%Pd/γ- Al₂O₃在250℃下对苯的去除率达到99%，同时XRD和TEM实验结果表明：活性组分在载体上分散性很好。但是贵金属催化剂也存在着不足：资源稀缺，价格昂贵，抗毒性差，高温以烧结等。这些缺点很大程度上制约了贵金属催化剂在工业废气治理方面的应用。

非贵金属催化剂以过渡金属氧化物为主要活性成分^[21]，主要有Cu、Mn、Ni、Cr等的金属氧化物，这些物质具有较强的氧化还原性，对PAHs的催化燃烧降解有很好的效果。郭建光等制备了三种金属氧化物催化剂CuO/γ-Al₂O₃、CdO/γ-Al₂O₃、NiO/γ-Al₂O₃，实验显示：CuO/γ-Al₂O₃催化性能最好，对甲苯、乙醇和丙酮的起燃温度分别为230℃、190℃、180℃，明显降低了反应物的燃点。Tseng^[18]等在活性炭上负载负载Fe、Co、Ni、Cu等，考察其对焚烧烟气中P A H s的境界效果，结果表明各催化剂对P A H s的去除效率分别为62%、94%、23% 和55%。当烟气中不含颗粒物、重金属、HCl和SO₂时，Feng-Yim Chang^[19]等制备的催化剂Rh/ Al₂O₃和Rh-Na/ Al₂O₃在250℃下对PAHs去除率分别为80%和59%。

一些研究发现，将两种或三种金属氧化物复合在一起制备的催化剂比单一的表现出更好的催化效果和活性。这其中以钙钛矿型复合氧化物和尖晶石型复合氧化物最受学者关注：

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