Pd-Pt-Ce/Al2O3催化劑在VOC凈化處理中的催化性能

焦向東，盛　斌，陳夢霞，陳金勝，趙偉榮*，胡月霞，黃園園

(1.浙江大學(xué)，浙江 杭州 310007； 2.杭州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，浙江 杭州 310007； 3.江蘇安琪爾廢氣凈化有限公司，江蘇 宜興 214201；4.杭州雙博環(huán)保科技有限公司，浙江 杭州 310007)

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Pd-Pt-Ce/Al2O3催化劑在VOC凈化處理中的催化性能

焦向東1，盛斌2，陳夢霞1，陳金勝1，趙偉榮1*，胡月霞3，黃園園4

(1.浙江大學(xué)，浙江 杭州 310007； 2.杭州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，浙江 杭州 310007； 3.江蘇安琪爾廢氣凈化有限公司，江蘇 宜興 214201；4.杭州雙博環(huán)保科技有限公司，浙江 杭州 310007)

摘要：采用浸漬法制備Pd-Pt-Ce/Al2O3催化劑，考察貴金屬Pd和Pt負(fù)載量、助劑種類及負(fù)載量、空速對催化甲苯燃燒活性的影響。結(jié)果表明，適宜的貴金屬負(fù)載量和助劑可極大提高Pd-Pt/Al2O3催化劑活性，當(dāng)Pd和Pt質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.05%和0.005%、助劑Ce質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時，Pd-Pt-Ce/Al2O3催化劑在低溫條件下表現(xiàn)出較好的催化性能。空速對催化劑的催化活性影響較為明顯，適宜的空速低于20 000 h-1。

關(guān)鍵詞：催化劑工程；環(huán)境工程；貴金屬催化劑；催化燃燒

CLC number:TQ426.6;X701Document code: AArticle ID: 1008-1143(2016)05-0031-03

揮發(fā)性有機(jī)化合物主要來自石油化工、制藥、印刷、噴漆以及機(jī)動車等行業(yè)排放的廢氣，是一類毒性大、嚴(yán)重?fù)p害人體健康的化學(xué)物質(zhì)[1-2]，主要處理方法有直接燃燒法、吸附處理法、冷凝法和催化燃燒法等[3]。催化燃燒催化劑一般可分為非貴金屬催化劑和貴金屬催化劑。非貴金屬催化劑活性低且熱穩(wěn)定性差，對空速和濃度等因素的適應(yīng)能力均低于貴金屬催化劑[4]。Pt和Pd貴金屬催化劑[5-7]可以在較低廢氣濃度和操作溫度下達(dá)到處理目的，降低能耗，防止二次污染。

本文采用浸漬法制備Pd-Pt-Ce/Al2O3催化劑，考察貴金屬Pd和Pt負(fù)載量、助劑種類與負(fù)載量、空速對催化甲苯燃燒活性的影響。

1實驗部分

1.1催化劑制備

Al2O3涂層制備:攪拌下將25 g擬薄水鋁石粉加入200 mL去離子水，緩慢滴加濃硝酸，控制溶液pH≈2.4，然后加熱至85℃，再滴加濃硝酸至完全溶膠，攪拌30 min后靜置陳化24 h，得到一定黏度和流動性的半透明鋁溶膠。將5%稀硝酸處理過的蜂窩陶瓷浸入制備好的鋁溶膠中，取出，吹去陶瓷孔中殘留膠液，120℃干燥2 h，500℃焙燒5 h，制得Al2O3涂層載體。

助劑涂層制備：將助劑La、Ce、Zr和Y等與檸檬酸、分散劑按一定配比加入制備好的鋁溶膠中，攪拌均勻后，將5%稀硝酸處理過的蜂窩陶瓷浸入混合液中，取出，吹去空中殘留的懸濁液，晾干，120℃干燥2 h，500℃焙燒5 h，制得Ce-Al2O3涂層載體。

蜂窩整體式催化劑制備：通過浸漬法負(fù)載Pd和Pt貴金屬，按Pd和Pt理論負(fù)載量取H2PdCl4和H2PtCl6水溶液，將涂覆有涂層的蜂窩陶瓷載體浸入其中,恒溫水浴加熱至溶液由黃色變?yōu)闊o色后取出，吹去孔中殘留溶液，空氣中120℃干燥2 h，550℃焙燒6 h，制得系列蜂窩整體式催化劑。

1.2催化劑活性評價

以甲苯完全燃燒為模型反應(yīng)，采用固定床流動反應(yīng)裝置評價催化劑活性，采用氣相色譜儀(FID)分析反應(yīng)物和產(chǎn)物。

2結(jié)果與討論

2.1貴金屬負(fù)載量

表1為貴金屬負(fù)載量對催化劑性能的影響，以甲苯轉(zhuǎn)化率分別為10%、50%和95%的溫度評價催化劑活性。由表1可以看出，低溫條件下，催化劑活性較低，達(dá)到起燃溫度后，催化劑呈現(xiàn)較好的催化性能。單一貴金屬Pd/Al2O3催化劑的催化活性較低，即使增加Pd含量，達(dá)到T95溫度也要升至460℃。添加少量Pt后，催化活性大大提高，T10溫度遠(yuǎn)低于單金屬催化劑，但同時增加Pd和Pt含量，T95沒有大的變化，表明貴金屬粒子在催化劑上的活性位有一定飽和度，適宜的貴金屬比例對催化劑性能有決定作用。選擇Pd和Pt負(fù)載質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.05%和0.005%。

表1　貴金屬負(fù)載量對催化劑性能的影響

2.2助劑

表2為添加助劑Zr、Ce、La和Y對催化劑活性的影響。

表2　助劑對催化劑性能的影響

由表2可以看出，不添加助劑催化劑上甲苯轉(zhuǎn)化率明顯低于添加助劑的復(fù)合涂層催化劑。原因為高溫環(huán)境下，Al2O3易發(fā)生相變,轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)上穩(wěn)定的α-Al2O3，使比表面積大幅度減小,催化劑活性降低。添加助劑Zr、Ce、La和Y的催化劑性能差別較大，添加助劑Ce的性能最好，原因為CeO2基復(fù)合氧化物具有較好的氧化還原性和儲氧性能，防止涂層面積減小，利于活性組分分散，表現(xiàn)出較高的熱穩(wěn)定性和低溫催化性能。

2.3助劑負(fù)載量

助劑負(fù)載量對催化劑性能的影響如表3所示。由表3可以看出，助劑Ce的負(fù)載量對催化劑活性影響較大，加入少量助劑Ce有利于貴金屬粒子的分散和燒結(jié)，添加量過大，粒子將占據(jù)活性位，降低催化劑的催化活性。助劑Ce質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%可達(dá)到較好的催化效果。

表3　助劑負(fù)載量對催化劑性能的影響

2.4空速

以5 g·m-3甲苯為反應(yīng)體系,在反應(yīng)溫度260℃、350℃和450℃條件下，考察空速對Pd-Pt/1%CeO2-Al2O3催化劑性能的影響，結(jié)果見圖1。

圖1　空速對Pd-Pt/1%CeO2-Al2O3催化劑性能的影響Figure 1　Effects of space velocity on catalytic properties of Pd-Pt/1%CeO2-Al2O3 catalyst

由圖1可以看出，空速低于20 000 h-1時，反應(yīng)物在催化劑表面停留時間長，反應(yīng)更充分，利于達(dá)到反應(yīng)平衡；空速大于20 000 h-1時，反應(yīng)物與活性組分接觸時間短，且很快離開反應(yīng)體系，反應(yīng)不充分，甲苯轉(zhuǎn)化率低。適宜的空速低于20 000 h-1。

3結(jié)論

(1) 適宜的貴金屬Pd、Pt負(fù)載量對催化劑性能影響較大，當(dāng)Pd和Pt負(fù)載質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.05%和0.005%時，催化劑顯示出較高的催化活性。

(2) 添加助劑可以明顯提高催化劑活性，Ce添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%時，催化劑活性最高。

(3) 空速對催化劑的催化活性影響較為明顯，是工業(yè)化應(yīng)用中必須考慮的重要因素，適宜的空速低于20 000 h-1。

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Catalytic performance of Pd-Pt-Ce/Al2O3catalysts for VOC purification treatment

Jiao Xiangdong1, Sheng Bin2, Chen Mengxia1, Chen Jinsheng1, Zhao Weirong1*, Hu Yuexia3, Huang Yuanyuan4

(1.Zhejiang University, Hangzhou 310007, Zhejiang, China; 2.Hangzhou Economic Technological Development Zone Environmental Monitoring Station, Hangzhou 310007, Zhejiang, China; 3.Jiangsu Angel Exhaust Gas Purification Co.,Ltd., Yixing 214201, Jiangsu, China;4.Hangzhou Shuangbo Environmental Protection Technology Co.,Ltd.,Hangzhou 310007, Zhejiang, China)

Abstract:Pd-Pt-Ce/Al2O3 catalysts were prepared by the impregnation method.The influence of Pd and Pt loadings,the types and loadings of the additives and space velocity on catalytic activity of the catalysts for toluene combustion was investigated.The results showed that the suitable content of noble metals and additives could significantly improve the catalytic activity of Pd-Pt/Al2O3 catalysts.When the mass fractions of Pd,Pt and Ce were 0.05%,0.005% and 1%,respectively,Pd-Pt-Ce/Al2O3 catalyst exhibited better catalytic activity under low temperature condition.The space velocity had obvious influence on the catalytic activity of the catalyst and suitable space velocity was less than 20 000 h-1.

Key words:catalyst engineering; environmental engineering； precious metal catalyst；catalytic combustion

收稿日期：2016-01-27;修回日期：2016-03-23基金項目：國家科技支撐計劃資助項目(2013BAC16B01)

作者簡介：焦向東，1982年生，河南省平頂山市人，在讀碩士研究生，研究方向為工業(yè)源VOCs的產(chǎn)生與處理方法。

doi:10.3969/j.issn.1008-1143.2016.05.006 10.3969/j.issn.1008-1143.2016.05.006

中圖分類號：TQ426.6;X701

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-1143(2016)05-0031-03

催化劑制備與研究

通訊聯(lián)系人：趙偉榮，浙江省杭州市人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師,研究方向為環(huán)境催化技術(shù)、水污染控制技術(shù)、高級氧化技術(shù)和廢物資源化技術(shù)。