基于超薄二维TiO_2的负载型催化剂制备及催化氧化甲苯性能研究

【摘要】：挥发性有机化合物(VOCs)是一类来源广泛的大气主要污染物之一,对自然环境和人体健康造成严重危害,因此迫切需要制定有效的减排措施。废旧塑料回收与再生行业是VOCs排放工业源之一,因此有必要对塑料回收与再生过程中VOCs排放情况和影响进行调查研究,以便于制定VOCs治理措施。目前催化氧化技术是最具有应用前景的VOCs治理技术,具有处理效率高、能耗低、无二次污染等优点,催化氧化技术核心是催化剂。过渡金属锰、铜和钴相较于贵金属价格更加低廉易得,并且具有良好的氧化还原性能等优点,因此常用于催化剂研究。TiO_2具有价格便宜,制备简单,性质稳定等优点,常作为催化剂载体,用于催化剂的设计制备。对此,本文在对塑料回收与再生过程中VOCs排放和影响做了研究分析的基础上,选择具有代表性的甲苯作为目标污染物,并且设计制备了基于二维结构的TiO_2纳米片为载体的Mn-Co/TiO_2和Mn-Cu/TiO_2新型催化剂,将其用于甲苯催化氧化性能研究。本论文主要工作如下:首先为了系统了解塑料回收与再生行业的VOCs排放情况及影响,本文选了三家从事废旧塑料拆解回收与再生产的企业作为研究对象,通过实地采集样本,并带回实验室分析。结果表明:废旧塑料回收和再生产过程中排放的VOCs成分大致相同。塑料回收过程中,卤代烃(HHs)是主要VOCs成分,占95%以上,而在塑料再生产过程中,卤代烃(HHs),脂族烃(AIHs)和含氧VOCs(OVOCs)是主要成分。废旧塑料回收和再生过程排放的VOCs对周边大气中臭氧生成具有促进作用,臭氧生成最高可达1.4×10~4 ug·m~(-3),并且对工人的身体健康会造成重大威胁。采用水热法制备了具有二维结构的TiO_2纳米片作为催化剂载体,并使用柠檬酸-浸渍法制备了Mn-Co/TiO_2系列催化剂,用于甲苯催化氧化研究。研究考察了制备和反应条件对催化活性的影响。结果表明,Mn/Co摩尔比为8:1,负载量16 wt%,焙烧温度300℃等条件下制备的Mn8-Co1/TiO_2催化剂的甲苯催化活性最高,反应温度在240℃可实现甲苯约100%转化。TiO_2纳米片比P25更有助于活性组分的分散,形成活性组分-载体强相互作用,提高甲苯催化活性。以同样的制备方法制备了Mn-Cu/TiO_2催化剂,并用于催化甲苯,通过系统的表征手段研究了催化剂的理化性质。结果表明:Mn-Cu/TiO_2在反应温度240℃下比Mn/TiO_2和Cu/TiO_2表现出更优异的甲苯转化率(100%),并且具有良好的稳定性和耐水性。Mn-Cu/TiO_2催化剂活性组分的高度分散以及Mn,Cu之间的协同作用是催化剂催化性能优异的主因。主要通过9)~(3+)+~(2+)→9)~(4+)+~+之间的相互作用形成活性氧循环,对甲苯进行催化降解。此外,原位红外实验证明,甲苯依次在Mn,Cu之间进行降解形成苯甲醇和苯甲酸中间产物,最终被氧化成CO_2和H_2O。本文的工作为制定废旧塑料回收与再生行业VOCs的管控措施提供一定的借鉴。并且采用具有二维结构的TiO_2纳米片作载体制备了具有优异催化活性的新型VOCs催化剂,拓宽了二维TiO_2纳米片的运用,为改进和开发新型VOCs催化剂提供了一定的借鉴。