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1、以燃煤電廠煙氣脫硝為對(duì)象,采用低溫選擇性催化還原(SCR)方法,在國(guó)內(nèi)外低溫NH3-SCR脫硝過(guò)程和相應(yīng)催化劑研究的基礎(chǔ)上,針對(duì)目前低溫SCR催化劑研究思路的局限性,提出了氟摻雜催化劑的研究思路。本文較系統(tǒng)地研究了氟摻雜氧化釩/氧化鈦催化劑的制備及其在低溫SCR過(guò)程中的反應(yīng)特性,研究結(jié)果為設(shè)計(jì)新型低溫SCR催化劑提供了依據(jù)。
首先,結(jié)合BET、XRD、XPS、ICP、Raman、EPR、PL、FT-IR和UV-vis DR
2、S等技術(shù),研究了F摻雜量、F源和制備方法對(duì)催化劑結(jié)構(gòu)、表面特性和低溫SCR性能的影響。發(fā)現(xiàn)氟摻雜提高了銳鈦礦型TiO2的結(jié)晶度,增強(qiáng)了氧化釩與氧化鈦之間的相互作用,促進(jìn)了活性組分在載體表面的分散和超氧自由基的形成;在氟摻雜催化劑上,釩和鈦之間通過(guò)電荷補(bǔ)償作用形成了更多低價(jià)鈦和釩,提高了催化劑的氧化還原性能。溶膠-凝膠法較水熱法更適合制備含氟催化劑。氟對(duì)催化劑活性的促進(jìn)作用對(duì)于不同氟源具有普遍性。以(NH4)2TiF6為氟源,氟摻雜量為[
3、F]/[Ti]=0.0135時(shí)催化活性最好;在NO濃度500 ppm、NH3/NO=1.2、O25%、空速38893 h-1和0.9 wt%V2O5負(fù)載量時(shí),該催化劑在483 K和513 K的反應(yīng)速率為對(duì)照催化劑的3.2倍,NO脫除率分別達(dá)到了55%和78%。SO2和H2O對(duì)低溫SCR反應(yīng)有協(xié)同抑制效應(yīng)。
其次,在上述催化劑表征結(jié)果基礎(chǔ)上,建立了氟摻雜氧化釩/氧化鈦分子簇模型,采用密度泛函方法計(jì)算了催化劑表面的疏水性,發(fā)現(xiàn)
4、氟摻雜提高了氧化釩/氧化鈦表面對(duì)H2O的親和性,驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)中得到的電荷補(bǔ)償作用。
再者,以商業(yè)SCR催化劑為對(duì)比,利用EPR光譜等研究了反應(yīng)物在氟摻雜氧化釩/氧化鈦表面的吸附過(guò)程。結(jié)果表明NO(或NH3)和O2在氧化釩/氧化鈦表面吸附使得V4+和超氧自由基增加,即存在一個(gè)“兩步驟”過(guò)程:NO或NH3通過(guò)提供電子先使V向低價(jià)還原,并產(chǎn)生氧空位,然后在低價(jià)V上吸附O2形成超氧自由基。而氟摻雜促進(jìn)了該“兩步驟”過(guò)程中V4+和超氧
5、自由基的形成。氟摻雜增強(qiáng)了催化劑表面對(duì)NO的吸附,且不同氟摻雜量催化劑對(duì)NO的親和性與其低溫SCR催化活性變化趨勢(shì)一致。
最后,在上部分研究?jī)?nèi)容基礎(chǔ)上,采用“兩步驟”過(guò)程較深入地解釋了SO2和H2O對(duì)催化劑脫硝過(guò)程的抑制機(jī)理。發(fā)現(xiàn)H2O對(duì)NO和O2共吸附的影響主要是抑制“兩步驟”過(guò)程中超氧自由基的形成,而對(duì)NH3和O2共吸附的影響主要是抑制“兩步驟”過(guò)程中釩的還原;SO2對(duì)NO(或NH3)和O2共吸附中的“兩步驟”過(guò)程同時(shí)
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