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Mn/Ni/Cr基催化剂活性对低温等离子体催化氧化甲苯性能的影响

吴军良  
【摘要】:低温等离子体催化技术可在常温常压下氧化挥发性有机污染物,具有非常广阔的应用前景。该技术目前还存在能耗过高,系统性能易受水蒸气影响等关键问题,研究开发高效的、耐水蒸气影响的催化剂对于提升等离子体催化系统的性能具有重要的研究价值和实际意义。本文主要研究了锰基、镍基、铬基金属有机骨架材料(MIL-101)等催化剂在干湿空气条件下在等离子体催化系统中催化氧化甲苯的性能。 本文首先研究了氧化锰催化剂制备条件对其在等离子体催化系统中氧化甲苯活性的影响。研究结果表明,当活性组分Mn负载量为1wt%,焙烧温度为500℃制备的MnOx/γ-Al2O3催化剂具有很高比表面积,1wt%的负载量最接近MnOx在载体γ-Al2O3上的单层负载量。此催化剂应用于等离子体催化反应系统时,其对甲苯的转化率接近100%(能量密度为21J/l),并具有良好的稳定性。 本文研究了系列过渡金属氧化物催化剂协同等离子体催化氧化甲苯的性能,实验结果表明,这些催化剂性能的高低顺序如下:NiO/γ-Al2O3 MnO2/γ-Al2O3 CeO2/γ-Al2O3Fe2O3/γ-Al2O3 CuO/γ-Al2O3。其中的NiO/γ-Al2O3展示出最高的活性,原因是其在等离子体空间分解臭氧,促进活性氧原子生成的性能最强。当Ni负载量为5wt%时,其值接近NiO在载体γ-Al2O3上的单层分散量,使得此氧化镍催化剂在等离子体催化系统中对甲苯转化率最高。 本文研究了气体的相对湿度对不同载体(γ-Al2O3、SBA-15、TiO2)制备的镍基催化剂协同等离子体催化氧化甲苯的性能。结果表明,在干气流条件下,镍基催化剂协同等离子体催化氧化甲苯的活性大小顺序为:NiO/γ-Al2O3 NiO/SBA-15 NiO/TiO2,催化剂活性取决于NiO在三种载体上的分散程度,分散程度越高,催化剂的活性越强。在湿气流条件下,水蒸汽浓度对镍基催化剂的活性有明显的负面影响,水蒸汽浓度越高,催化剂活性下降幅度越大,其主要原因是水分子的存在会湮灭等离子体区的高能电子,减少活性物种数量,从而减少甲苯分子和活性物种之间的反应几率;此外,水分子会在催化剂表面上与甲苯、臭氧等物种形成竞争吸附,由于水分子占据了相当部分的反应活性中心位,导致了催化剂活性的下降。三种催化剂受水蒸气负面影响的大小顺序为:NiO/γ-Al2O3 NiO/SBA-15 NiO/TiO2。H2O-TPD表征结果显示,水蒸气在三种催化剂上的脱附活化能顺序是:NiO/γ-Al2O3 NiO/SBA-15 NiO/TiO2,这与三种催化剂受水蒸气负面影响的大小顺序一致。这揭示了催化剂表面与水蒸气的相互作用越强,催化剂活性受水蒸气的负面影响也就越大。 本文自行设计了集成DBD等离子体反应器的红外原位池,研究低温等离子体环境下,水蒸气和甲苯在催化剂表面的吸附以及催化剂种类对甲苯降解途径的影响。结果表明:在等离子体催化反应过程中,催化剂表面吸附的水来自于气相中的水蒸气以及甲苯氧化生成的水。甲苯在单独的等离子体场和等离子体催化氧化甲苯反应过程中,都会产生苯甲醛等多种中间产物。有催化剂MnOx/γ-Al2O3或NiO/γ-Al2O3存在,有助于减少等离子体催化反应体系中催化剂表面中间产物产生与累积,其中装载了MnOx/γ-Al2O3,明显减少了反应中间产物的种类,而装载了NiO/γ-Al2O3,明显减少了中间产物的浓度。 本文研究了MIL-101在等离子体催化系统中分解甲苯的性能。该材料展现了比CrOx/γ-Al2O3更高的氧化甲苯活性,碳平衡和CO2选择性,其原因是MIL-101具有更强的分解臭氧生成活性氧物种的能力。微波辐射合成法制备的MIL-101对甲苯的氧化性能高于溶剂热合成法制备的MIL-101,其原因可能是前者具有更大的比表面积和孔容,有利于等离子体场内活性物种的扩散和反应。在MIL-101上负载MnOx可进一步提高其催化氧化甲苯和分解臭氧性能。在反应器后部增加Ag/γ-Al2O3催化剂,可完全消除反应尾气中残留的臭氧。


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1 吴军良;Mn/Ni/Cr基催化剂活性对低温等离子体催化氧化甲苯性能的影响[D];华南理工大学;2014年
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