SCR催化劑中釩鎢鈦含量的測定

姚 慧，王 坤，楊惠玲

(中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300)

0 引 言

NOx（氮氧化物）作為大氣污染物之一，其主要來源有火力發(fā)電、采暖燃燒、機動車排放，特別是柴油車的排放等等[1]。選擇性催化還原（selective catalyst reduction，SCR）技術(shù)被認為是最好的煙氣脫硝技術(shù)，不但廣泛應用于工礦企業(yè)，還作為柴油機后處理凈化技術(shù)應用于柴油車尾氣凈化中，以達到國IV以上排放法規(guī)的要求[2]。SCR催化器是提供還原劑與污染物NOx反應的載體，目前應用最多的SCR催化器是釩基催化器，該種催化劑采用TiO2（二氧化鈦）作為載體，V2O5（五氧化二釩）作為活性成分，并以WO3（三氧化鎢）作為助催化劑，該種催化劑具有較高活性和抗SO2（二氧化硫）特性[3]。催化劑作為SCR脫硝反應的核心，其含量的多少關(guān)系到脫硝效率的高低。隨著廢氣脫硝過程中SCR催化劑活性的降低直至失活，正常催化劑的壽命在3年左右[4]。廢棄的SCR催化器需要妥善處理，否則會對環(huán)境造成巨大的污染。并且SCR催化劑本身含有的WO3、V2O5和TiO2都是寶貴的資源，確定其含量并進行回收利用具有重要的經(jīng)濟價值。

目前對廢棄SCR催化劑中釩鎢鈦回收利用方法研究較多，包括浸出萃取[4]，鈉化焙燒[5-6]，酸浸反應[7]，堿性浸出[8-9]等。但對于準確測定SCR催化劑中的釩鎢鈦含量的方法卻很少，只有準確測定出SCR中釩鎢鈦的含量才能準確計算出釩鎢鈦的回收率，進一步考慮利用方法的有效性。目前對于釩鎢鈦元素的分析主要有滴定法[10]，光度法[11]，X射線熒光光譜法[12]，電感耦合等離子體光譜法[13-14]和電感耦合等離子體質(zhì)譜法[15]等。

本文首先采用酸溶法和堿熔融法對SCR催化劑進行溶樣比較，再通過優(yōu)化前處理條件找到適合SCR催化劑的酸溶樣方法，用ICP-MS作為最后分析測定，建立對SCR催化劑中釩、鎢、鈦最優(yōu)的測定方法。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

Agilent 7500a型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀；MARS6型微波消解萃取系統(tǒng)；Milli-Q Academic型超純水系統(tǒng)；SRJX-8-13A型箱式電阻爐。

釩、鎢、鈦混合標準溶液：20 μg/L～1 mg/L，將釩、鎢、鈦標準儲備溶液（濃度1.000 g/L）用硝酸（2+98）溶液逐級稀釋至所需濃度。

鈧、錸混合內(nèi)標溶液：1 mg/L，將鈧、錸標準儲備溶液（濃度1.000 g/L）用硝酸（2+98）溶液稀釋至所需濃度。

鹽酸、硝酸、氫氟酸為優(yōu)級純，其他試劑為分析純；試驗用水均為一級水。

1.2 樣 品

YSBC19721-2011樣品為國家標準物質(zhì)樣品，定值為V：4.380 0 mg/g，Ti：61.260 0 mg/g；YSBC19726-2014樣品為國家標準物質(zhì)樣品，定值為V：1.500 0 mg/g，Ti：62.160 0 mg/g；GBW07241（GSO-W-2）樣品為國家標準物質(zhì)樣品，定值為W：2.200 0 mg/g，Ti：0.260 0 mg/g；SCR樣品為催化劑制造廠商提供樣品，定值為V：6.365 5 mg/g，W：29.936 3 mg/g，Ti：193.888 0 mg/g，文章中計算得出的回收率或溶出率均為測定值與定值比較得出。

1.3 儀器工作條件

發(fā)射功率1 380 W，等離子氣流量15.0 L/min，載氣流量1.20 L/min，輔助氣流量1.0 L/min，采樣深度7.0 mm，采樣模式為全定量，采樣錐孔徑1.0 mm，截取錐孔徑0.4 mm，檢測器模式為脈沖，模擬雙模式。

1.4 試驗方法

將SCR催化器載體在100 ℃烘箱內(nèi)烘干2 h，磨成直徑小于75 μm的粉末。再次烘干后，待用。

稱取0.25 g左右粉末樣品放入消解罐中，對樣品加入8 mL鹽酸、2 mL硝酸和1 mL氫氟酸，放入微波消解儀中，20 min升溫至180 ℃消解，并保持0.5 h。消解完畢后冷卻至室溫后再取出，定重至50 g，稀釋后上機分析。

1.5 儀器工作曲線

在儀器優(yōu)化條件下，對空白和濃度為20，40，100，200，400，800，1 000 μg/L 的釩、鎢、鈦標準系列溶液進行測定，儀器自動繪制標準曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 內(nèi)標元素的選擇

內(nèi)標元素不但對基體效應起到補償作用，還可以有效校正分析信號的漂移。內(nèi)標元素的選擇應考慮到，首先待測樣品中不含內(nèi)標元素，其次要選擇與待測元素質(zhì)量數(shù)和電離能相近的元素。因此常選用73Ge、115In、185Re、45Sc、89Y、7Li、209Bi作為內(nèi)標。本次試驗檢測元素為51V、182W、47Ti，所以選擇樣品中含量極低的45Sc作為51V和47Ti的內(nèi)標，選擇185Re作為182W的內(nèi)標，采用在線加入的方式，有效補償了待測元素由于基體效應引起的偏差。

2.2 方法的線性范圍、檢出限和測定下限

根據(jù)1.5方法繪制儀器工作曲線，并對空白溶液測定11次，求其標準偏差，方法檢出限是3倍標準偏差對應的樣品含量，測定下限是10倍標準偏差對應的樣品含量，結(jié)果見表1。

表1 線性范圍、檢出限及測定下限

2.3 試驗方法確定

2.3.1 酸溶法

稱取0.25 g左右粉末樣品放入消解罐中，加入配好的混酸，放入微波消解儀中，20 min升溫至200 ℃下消解，并保持30 min。消解完畢后完全冷卻至室溫后取出定重，上機前稀釋后分析。

考察的混酸分別為：a.6 mL鹽酸+2 mL硝酸；b.6 mL鹽酸+2 mL硝酸+1 mL氫氟酸；c.6 mL鹽酸+2 mL過氧化氫；d.6 mL硝酸+2 mL過氧化氫；e.6 mL鹽酸+1 mL氫氟酸；f.6 mL硝酸+1 mL氫氟酸。

2.3.2 堿熔融法

稱取0.5 g左右粉末樣品放入剛玉坩堝，加入熔劑，放入馬弗爐中在700 ℃下進行堿熔融，并保持30 min，冷卻后取出坩堝放入500 mL燒杯中，加入200 mL鹽酸（1+1）溶解堿熔融物，沖洗出坩堝后定重，上機前稀釋后分析。

考察的熔劑分別為：g.5 g過氧化鈉[16]；h.2.5 g氫氧化鉀+1 g四硼酸鈉[17-18]。

試驗選用國家標準物質(zhì)作為參考樣，并選取企業(yè)自制SCR標準樣品作為試驗考察對象。

通過試驗發(fā)現(xiàn)只有加入氫氟酸才能將SCR樣品中的鎢和鈦溶出，沒有加氫氟酸的樣品中鎢、鈦兩種元素溶出率極低。由于載體材質(zhì)二氧化鈦不易溶于鹽酸、硝酸，但溶于氫氟酸，助劑三氧化鎢不溶于水和除氫氟酸外的無機酸，所以需要加入氫氟酸將鈦和鎢元素溶出。單獨加鹽酸、氫氟酸兩種混酸或硝酸、氫氟酸兩種混酸均沒有鹽酸、硝酸、氫氟酸3種混酸溶出效果好，所以確定試驗方法為加入該3種酸，下面對該方法進行優(yōu)化。加入鹽酸和過氧化氫兩種混酸對釩的溶出有效果，但是對鎢和鈦兩種元素溶出效果差，如要同時測定3種元素不考慮加入過氧化氫，如要單獨測定釩元素可以考慮鹽酸過氧化氫酸配比方案。由于堿熔融法使得鎢在高溫下出現(xiàn)揮發(fā)的現(xiàn)象，因此最終選用酸溶法。

2.4 樣品溶解方法優(yōu)化

2.4.1 酸配比確定

通過2.3方法確定，采用鹽酸、硝酸、氫氟酸3種混酸作為消解溶劑。通過改變酸的配比進行試驗驗證，找到溶出率最高的酸配比方案?？疾斓乃崤浔确桨笧椋?)6HCl+2HNO3+0.5HF；2)6HCl+2HNO3+1HF；3)6HCl+2HNO3+2HF；4)6HCl+2HNO3+4HF；5)6HCl+1HNO3+1HF；6)6HCl+4HNO3+1HF；7)6HCl+6HNO3+1HF；8)4HCl+2HNO3+1HF；9)8HCl+2HNO3+1HF。

通過對不同的酸配比的考察，發(fā)現(xiàn)隨著加入氫氟酸的量增加對于樣品溶出效果越好，加入2 mL氫氟酸和加入1 mL氫氟酸溶出效果差別不大，由于鎢元素高溫下易揮發(fā)，所以不能有趕酸的步驟，而氫氟酸如不經(jīng)過趕酸，分析時對儀器有一定損害，所以選擇酸配比時要兼顧氫氟酸加量少且溶出率高的。隨著鹽酸量的增加，3種元素的溶出率均有提高，經(jīng)過比較最終采用8 mL鹽酸，2 mL硝酸，1 mL氫氟酸酸配比方法，采用該方法對SCR樣品中釩鎢鈦元素溶出率最高。

2.4.2 微波消解溫度的確定

通過2.4.1酸配比結(jié)果所示，采用8 mL鹽酸，2 mL硝酸，1 mL氫氟酸酸配比對微波消解溫度進行考察，結(jié)果如表2所示。

通過表2可以看出，在180 ℃時SCR樣品的釩鎢鈦元素的溶出率均達到最高值，說明在該溫度下3種元素均已溶出，單純增加溫度對溶出率無增益效果，所以確定微波消解溫度為180 ℃。

2.4.3 微波消解時間的確定

通過2.4.1和2.4.2結(jié)果所示，采用8 mL鹽酸，2 mL硝酸，1 mL氫氟酸酸配比在180 ℃消解溫度下對微波消解時間進行考察，結(jié)果如表3所示。

表2 不同微波消解溫度樣品結(jié)果

表3 不同微波消解時間樣品結(jié)果

通過表3可以看出，消解時間為10 min不足以將SCR樣品中釩鎢鈦充分溶出，在消解時間為30 min～90 min時，SCR樣品的釩、鎢、鈦元素溶出率無明顯增加，在消解時間為30 min時已達到最大值，所以確定微波消解30 min為最佳消解時間。

2.5 精密度與準確度

為了驗證方法的精密度和準確度，選取催化劑制造廠商提供定值SCR樣品，稱取7個平行樣品按照2.4最終確定的方法進行測定，并與定值比較得出回收率。檢測結(jié)果見表4。

從結(jié)果可以看出，通過7個平行樣的檢測，得出的相對標準偏差分別為，釩1.0%，鎢2.2%，鈦0.3%，回收率分別為，釩101.0%，鎢100.7%，鈦101.7%。可見采用該試驗方法測定SCR樣品其精密度和準確度都可以滿足日常檢測要求。

3 結(jié)束語

1）對于SCR樣品，只有加入氫氟酸才能將樣品中的鎢和鈦溶出，沒有加氫氟酸的方法時兩種元素溶出率極低。所以同時測定釩、鎢、鈦3種元素需要加入氫氟酸。

2）采用鹽酸、硝酸、氫氟酸3種酸可將SCR樣品中釩、鎢、鈦溶出，增加鹽酸的添加量有助于樣品元素的溶出，增加硝酸和氫氟酸對元素溶出效果影響不明顯。

表4 精密度與準確度結(jié)果

3）鎢元素在高溫下易揮發(fā)，所以不能采用堿熔融法進行溶解，并且在酸溶法中不能有趕酸的步驟，所以添加氫氟酸的量應在保證溶出率的基礎(chǔ)上控制在最小以免對分析儀器造成影響。

4）對于SCR樣品，加入鹽酸和過氧化氫就能將樣品中的釩溶出，不需要加氫氟酸，如單獨測定釩可選擇該兩種酸進行配比消解SCR樣品。

5）采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定SCR樣品中的釩、鎢、鈦元素，以鈧和錸作為內(nèi)標，可有效降低基體效應的影響。

6）采用本文試驗方法操作簡單、準確度和精密度好，與釩鎢鈦相關(guān)測定標準方法[18]相比，該方法更適用于對SCR樣品中釩、鎢、鈦元素含量的檢測，相比于SCR專利方法，本試驗方法的準確度和精密度更高。