Citation: CHEN Xue-hong, ZHENG Yu-ying, FU Bin-bin, ZHENG Wei-jie. Preparation of MnO2/PoPD@PPS functional composites for low-temperature NO reduction with NH3[J]. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 2017, 45(12): 1514-1521.
原位聚合MnO2/PoPD@PPS复合滤料及其NH3-SCR脱硝性能研究
English
Preparation of MnO2/PoPD@PPS functional composites for low-temperature NO reduction with NH3
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Key words:
- polyphenylene sulfide (PPS)
- / MnO2
- / in-situ polymerization
- / NH3-SCR
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氮氧化物(NOx)作为主要气体污染物之一,是形成光化学烟雾、导致各种呼吸道疾病的的主要元凶,工业上主要采用氨气选择性催化还原技术(NH3-SCR)实现燃烧废气中氮氧化物的脱除[1, 2]。作为NH3-SCR技术的核心,商用催化剂V2O5-WO3的催化温度较高(300-400 ℃),一般置于尾气处理的上游,脱硫装置和除尘滤袋的前端。其弊端在于,未经处理的尾气中含大量的粉尘和强酸碱性物质,会导致催化剂堵塞、失活。另外,SCR反应器在尾气处理系统中相对独立,需要占据一定的空间[3, 4]。因此,开发出一种适用低温NH3-SCR反应的脱硝催化剂,并将其负载到除尘滤料上,是延长催化剂寿命、提高尾气的处理效率、实现脱硝除尘一体化的有效途径。
目前,制备脱硝功能复合滤料的方法主要是将催化剂的制备和负载分开进行,先制备出催化剂,然后再通过抽滤、超声浸渍、表面涂覆、黏结剂黏结等方法将催化剂负载到滤料上[5-7]。其弊端在于,制备过程相对复杂,催化剂和滤料纤维表面是物理吸附作用力,导致催化剂与滤料纤维之间的结合力不强,在尾气处理过程中,催化剂易脱落。催化剂与滤料纤维之间足够的黏结强度是保证脱硝过程顺利进行的前提,因此,研究出一种更简单、牢固的负载方法,对脱硝功能复合滤料的应用具有重要意义。
原位氧化聚合的组分包括单体、氧化剂与反应介质,其原理是通过氧化剂氧化单体并控制聚合物生长链的长度。聚邻苯二胺具有良好的耐腐性及稳定性,很适合作为滤料的包覆层来增强催化剂与滤料纤维的结合强度。近些年,聚邻苯二胺膜作为优良的电极修饰材料被研究报道[8, 9],但用原位聚合法在PPS滤料表面包覆MnO2/PoPD复合物并对其脱硝性能的研究报道还极少。
1 实验部分
1.1 主要原料
聚苯硫醚(PPS),厦门三维丝环保股份有限公司;邻苯二胺,AR,阿拉丁试剂有限公司;高锰酸钾,AR,国药集团化学试剂有限公司;乙酸(36%,质量分数),AR,国药集团化学试剂有限公司;无水乙醇,AR,国药集团化学试剂有限公司;去离子水,自制。
1.2 MnO2/PoPD@PPS复合滤料的制备
将PPS滤料洗净干燥后浸入0.3 mmol/L的邻苯二胺乙醇溶液中,超声浸渍6 h后,取出并在室温下晾置1 h。随后,将吸附了邻苯二胺单体的PPS滤料浸入0.2 mmol/L的酸性高锰酸钾水溶液中(乙酸酸化,乙酸浓度为0.15 mol/L),在100 kHz超声器中反应1 h。最后,将PPS滤料取出,先后用去离子水和无水乙醇洗涤多次,直至洗涤液颜色变澄清,将成品在110 ℃的烘箱中干燥至恒重,即得二氧化锰/聚邻苯二胺包覆的聚苯硫醚复合滤料,以m-MnO2/PoPD@PPS表示,其中, m为KMnO4/PPS质量比。复合滤料的负载量以每平方米PPS滤料上负载的MnO2/PoPD复合物的质量计算,其制备原理见图 1。
1.3 测试表征
1.3.1 X射线光电子能谱(XPS)分析
利用美国Thermo Scientific公司Escalab250型X光电子能谱仪对样品表面的元素组成进行测定,Al/Mg双阳极靶,能量分辨率为0.6 eV,空间分辨率小于3 μm,元素检测限为0.1%。
1.3.2 场发射扫描电子显微镜(FESEM)分析
利用ZEISS SUPRA 55型场发射扫描电子显微镜对样品的微观形貌进行表征。并用其上附带的X-Max50型X射线能量色散谱仪(英国OXFORD)对样品表面的某一区域进行元素分布情况及成分分析。
1.3.3 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)
采用Nicolet 5700型傅里叶变换红外光谱仪对样品进行表征。测试3 800-600 cm-1,分辨率为0.2 cm-1。将样品与光谱纯的KBr按1:100的质量比研磨混合均匀并压片,即可进行分析测试。
1.3.4 X射线衍射(XRD)分析
利用日本理学Ultima Ⅲ型X射线多晶衍射仪在管电压40 kV,管电流20 mA的条件下,对样品进行物相分析,Cu靶,Kα射线,λ=0.154 06 nm,10°-80°扫描,扫描速率8(°)/min。
1.3.5 NO转化率的测试
测试复合滤料的NO转化率是在自制的管式不锈钢固定床反应器(外径38 mm,内径28 mm)中进行。其中,气体成分模拟烟气中组成:5×10-4 NO、5×10-4 NH3、5% O2、N2为平衡气,气体空速为约120 000 cm3/(g·h)。固定床反应器进出口气体的成分及含量用KM950烟气分析仪测定,各测试温度点均在温度稳定30 min后进行测试。催化剂的脱硝活性由NOx转化率反映,并由下式计算得到:
N2的选择性和N2O的选择性由如下公式计算所得:
2 结果与讨论
2.1 KMnO4/PPS质量比对复合滤料脱硝性能的影响
图 2为不同KMnO4/PPS质量比MnO2/PoPD@PPS复合滤料脱硝率随温度的变化。
由图 2可知,随着反应温度的升高,不同KMnO4/PPS质量比的MnO2/PoPD@PPS复合滤料脱硝率均呈现递增的趋势;温度一定时,MnO2/PoPD@PPS复合滤料的脱硝率随KMnO4/PPS质量比的增加而变大,由大到小依次排序如下:1.0 MnO2/PoPD@PPS > 1.2 MnO2/PoPD@PPS > 0.8 MnO2/PoPD@PPS > 0.6 MnO2/PoPD@PPS > 0.4 MnO2/PoPD@PPS,原因是随着KMnO4/PPS质量比的增加,MnO2催化剂在PPS滤料上负载量会增加,进而使MnO2/PoPD@PPS复合滤料脱硝率增加。当KMnO4/PPS质量比为1:1时,MnO2/PoPD@PPS复合滤料的脱硝率达到最大值,180 ℃时的脱硝率可达94.2%,1.0 MnO2/PoPD@PPS复合滤料的N2选择性见表 1。
Temperature t/℃ Selectivity s/% N2 NOx N2O 80 - - - 100 - - - 120 81 1 18 140 81 1 18 160 81 1 18 180 81 1 18 reaction conditions: 5×10-4 NO, 5×10-4 NH3, 5% O2 and balanced by N2, about 120 000 cm3/(g·h) of GHSV 2.2 MnO2/PoPD@PPS复合滤料的XPS分析
为了分析复合滤料表面元素成分及化学价态,作者对1.0 MnO2/PoPD@PPS进行了XPS表征,其结果见图 3。图 3(a)为复合滤料XPS全谱,从图 3(a)中可以看出Mn、O、C元素峰的存在,说明锰氧化物已经成功负载到了PPS纤维上,而N和S元素的峰很微弱,这是由于MnO2/PoPD复合物紧密地包覆在PPS纤维上的原因。图 3(b)为复合滤料Mn 2p的XPS能谱图。由图 3(b)可知,Mn 2p轨道的能级裂分为655.7和644.2 eV两个峰,分别代表Mn 2p1/2和Mn 2p3/2两个能级,且能级差为11.5 eV,这与文献中的MnO2的数据一致,证实了复合滤料上MnO2的存在[10]。图 3(c)为复合滤料N 1s的XPS能谱图,对其进行分峰拟合,分别在398.1、399.6、401.2、402.4 eV处得到四个特征峰。其中,398.1、399.6 eV两处的特征峰分别代表未掺杂的亚胺(-N=)和未掺杂的胺基-NH-;401.2、402.4 eV处为掺杂的亚胺和胺基(N+)的特征峰,表明邻苯二胺单体在PPS纤维上成功聚合[11]。对复合滤料O 1s的XPS谱图进行分峰拟合,得到三个特征峰,见图 3(d)。其中,529.9 eV处为晶格氧特征峰,记为OL;532-534 eV是化学吸附氧的特征峰,记为OS。值得一提的是,1.0 MnO2/PoPD@PPS复合滤料中OS/OS+OL的原子比高达88%,先前的文献中指出化学吸附氧具有较高的迁移性,在催化反应中表现出比晶格氧更高的反应活性,因此,较高的OS/OS+OL原子比有利于脱硝过程中选择性催化还原反应的进行[12, 13]。
2.3 MnO2/PoPD@PPS复合滤料的FESEM分析
图 4为1.0 MnO2/PoPD@PPS复合滤料的FESEM照片。由图 4可知,相比未负载时表面光滑的原始滤料,1.0 MnO2/PoPD@PPS复合滤料表面粗糙,且PPS纤维上增加了一层厚度均匀的包覆物,且整体包覆情况良好,未见明显的脱落现象。另外,高倍FESEM照片显示包覆物上分布有许多纳米颗粒,少数发生团聚,对应XPS的分析结果,推断这些纳米颗粒是MnO2催化剂。
图 5为1.2 MnO2/PoPD@PPS复合滤料的FESEM照片,相比1.0 MnO2/PoPD@PPS复合滤料,1.2 MnO2/PoPD@PPS复合滤料上包覆层明显增厚,且出现包覆物脱落、分布不均匀的现象,可能是由于MnO2/PoPD复合物在PPS纤维上的负载量达到饱和而导致脱落,这与脱硝率的测试结果相一致。高倍FESEM照片显示包覆物是由层状物堆叠的球状纳米颗粒组成,这一结构为选择性催化还原反应提供了大量的活性位点,有利于催化反应的进行[14]。
为了进一步证实MnO2催化剂在PPS滤料纤维表面的分散性,对1.0 MnO2/PoPD@PPS复合滤料纤维表面进行了EDS分析,结果见图 6。
由图 6可知,MnO2/PoPD@PPS复合滤料纤维表面含有Mn、O、C、S、N五种元素,其质量分数分别为4.57%、23.08%、69.53%、2.03%、0.79%,可以断定,MnO2/PoPD@PPS复合滤料纤维表面包覆的锰氧化物确实为MnO2催化剂,进一步说明了XPS的分析结果。另外,这五种元素在纤维表面分布都很均匀,表明MnO2催化剂在PPS纤维表面分散良好,且MnO2/PoPD复合物在PPS纤维上包覆均匀,这与MnO2/PoPD@PPS复合滤料FESEM照片上所观察到的结果一致。
2.4 MnO2/PoPD@PPS复合滤料的FT-IR分析
图 7分别是原始PPS滤料和MnO2/PoPD@PPS复合滤料的红外光谱光谱图。由图 7中的曲线a可知,原始PPS滤料呈现出很多红外特征峰,主要有位于1 570、1 469、1 382 cm-1处的苯环C=C双键面内伸缩振动;1 007 cm-1处苯环上与C=C双键相连C-H键的面内变形;1 089 cm-1处的C-S键面内伸缩振动;以及804 cm-1处的苯环上C-H键的面外变形振动[15]。与原始PPS滤料相比,MnO2/PoPD@PPS复合滤料的红外谱图 4(b)中新增的吸收峰主要有两个,位于3 431 cm-1处的-NH-键的伸缩振动和位于1 254 cm-1处的C-N键的伸缩振动[16],表明邻苯二胺已经在PPS滤料上成功聚合,这与XPS的分析结果相一致。
2.5 MnO2/PoPD@PPS复合滤料的XRD分析
图 8为原始PPS滤料和不同KMnO4/PPS质量比的MnO2/PoPD@PPS复合滤料的XRD谱图。由图 8可知,MnO2/PoPD@PPS复合滤料仅出现PPS纤维的特征衍射峰,可能是由于聚苯硫醚和聚邻苯二胺具有相似的化学结构,受表面MnO2/PoPD包覆层的影响,负载后滤料特征衍射峰强度有所增强,进一步证实了PPS滤料上MnO2/PoPD包覆层的存在。另外,图 8中并未出现MnO2的特征衍射峰,表明MnO2/PoPD@PPS复合滤料表面负载的MnO2呈无定型结构,有利于选择性催化还原反应的进行[17]。
2.6 MnO2/PoPD@PPS复合滤料结合强度测试
催化剂与PPS滤料的结合强度是MnO2/PoPD@PPS复合滤料性能的重要指标。图 9为MnO2/PoPD@PPS复合滤料在流量为2 000 mL/min的氮气气流吹扫下,负载量随时间的变化。
由图 9可知,在测试时间内复合滤料没有重量损失。同时,FESEM照片中也未观察到MnO2/PoPD包覆层有严重脱落的现象,这表明MnO2/PoPD复合物与PPS滤料间的结合非常牢固。在原位聚合反应中,由于吸附在纤维表面的邻苯二胺单体并不溶于酸性高锰酸钾水溶液,因此,聚合反应是在PPS纤维的界面上进行的,形成的聚邻苯二胺能够完整地包覆在PPS纤维表面。再者,MnO2催化剂是在聚邻苯二胺形成的过程中由高锰酸钾还原同时生成并插入PoPD基体中的,因而也不易脱落。
2.7 MnO2/PoPD@PPS复合滤料催化稳定性能测试
图 10为原始PPS滤料和MnO2/PoPD@PPS复合滤料在同一背景色和日光下拍摄的数码照片。与原始PPS滤料相比,MnO2/PoPD@PPS复合滤料的表面呈深棕色,且颜色均一,初步断定MnO2/PoPD复合物成功地包覆在PPS滤料纤维表面上,并且测得复合滤料的负载量为38 g/m2。
为表征MnO2/PoPD@PPS复合滤料的催化稳定性能,当温度稳定在160 ℃时,测试了10 h内1.0 MnO2/PoPD@PPS复合滤料的脱硝率随时间的变化,其结果见图 11。
由图 11可知,MnO2/PoPD@PPS复合滤料在整个测试时间内的脱硝率一直维持在88%左右,并无明显减低,这得益于MnO2催化剂和PPS滤料之间较强的结合力,MnO2/PoPD@PPS复合滤料的催化稳定性能测试结果与上述MnO2催化剂与PPS滤料之间结合力测试结果一致,表明实验所得MnO2/PoPD@PPS复合滤料的催化性能相对稳定。
3 结论
在一定范围内,MnO2/PoPD@PPS复合滤料的脱硝率随KMnO4/PPS质量比的增加而增加,当KMnO4/PPS质量比为1:1时,MnO2/PoPD@PPS复合滤料的脱硝性能最佳,160 ℃时脱硝率可以达到88.5%,且在长达10 h的催化剂稳定性测试过程中,脱硝率仍然维持在88%左右。
XPS分析结果表明,所得复合滤料上的锰氧化物为MnO2;XRD结果说明复合滤料上的MnO2催化剂呈无定形态;从FESEM照片中可观察到,MnO2催化剂在PPS滤料上的分散性良好,且MnO2/PoPD复合物在PPS滤料上包覆厚度适中;在2 000 mL/min氮气气流下吹扫,MnO2/PoPD复合物在复合滤料上的负载量没有发生变化,这表明,MnO2/PoPD复合物与PPS滤料间的结合非常牢固。该复合滤料制备方法简单,实验条件温和,对滤料本身性能没有损伤,有望在除尘脱硝一体化领域推广应用。
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表 1 1.0 MnO2/PoPD@PPS复合滤料的N2选择性
Table 1. N2 selectivity of the 1.0 MnO2/PoPD@PPS
Temperature t/℃ Selectivity s/% N2 NOx N2O 80 - - - 100 - - - 120 81 1 18 140 81 1 18 160 81 1 18 180 81 1 18 reaction conditions: 5×10-4 NO, 5×10-4 NH3, 5% O2 and balanced by N2, about 120 000 cm3/(g·h) of GHSV
计量
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