[发明专利]一种蛋壳型笑气分解催化剂制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种壳型笑气分解催化剂的制备方法，属于环境催化剂制备技术领域。

背景技术

笑气即氧化亚氮(N₂O)，长期被认为是一种相对无害的气体，并且没有引起科学家们的兴趣。但是在过去的二十年，随着全球温室效应的显著以及笑气浓度的增加，越来越多的人关注到笑气的危害，该气体可造成温室效应并且破坏臭氧层。许多世纪以来，大气中的笑气浓度一直相对稳定（约270ppbv），而到2001年大气中笑气的浓度约升至310ppbv，即大气中的笑气较之工业时代早期增加了15%，且正在以每年0.25%至0.31%的速度进行增加。预计到2100年，大气中笑气的含量将比工业时代早期高出70%。笑气在大气中的存留时间长达150年左右，可以参与大气中多种光化学反应，可输送至平流层，是平流层中消耗臭氧的氮氧化物，并且被列为二氧化碳和甲烷之后的第三大温室气体，其全球增暖潜能（GWP）是二氧化碳的310倍，对全球气候变化的贡献约为6%。因此，严格控制笑气的排放污染是一个巨大的挑战。

目前，常用的减排笑气的方法主要包括高温直接分解、回收利用作为氧化剂生产化学品、选择性催化还原分解以及直接催化分解。

高温直接分解法是通过换热器将笑气的温度升至400~700℃，之后再升温到850℃左右，笑气在此温度下自然分解，分解后气体温度将升至1000℃，此部分热量经换热器换热用来对原料气进行预热，此外分解过程中产生的一氧化氮要回收，以免污染空气。

将笑气作为氧化剂回收利用，应用最早的是苯酚合成反应过程，近几年来，经研究开发出的新的苯酚生产技术路线就是将笑气作为氧化剂进行苯气相氧化合成苯酚，该路线充分利用了己二酸生产中产生的笑气废气，将生产出的苯酚加氢反应生成环己酮，然后使其重新返回生产系统，形成了理想的无污染的生产己二酸的循环网络，具有很高的经济效益和环境效益。在应用金属改性的ZSM-5分子筛作为催化剂制苯酚方面有大量的研究，也取得了一定成果。

选择性催化还原是在含氧的气氛下，在催化剂的作用下，先利用还原剂与笑气反应，将其还原为氮气的催化过程。该方法反应的温度较低，常用的还原剂为氨气、碳氢化合物等，不仅成本高而且容易产生二次污染。

直接催化分解是最简单和最有效的笑气减排方式，该方法是将笑气直接分解为氮气和氧气，不产生氮氧化物对环境没有污染，分解后的气体可直接排放，成本低，操作简单。笑气直接分解常用的催化剂包括稀土氧化物、贵金属氧化物等。

综上所述，几种减排笑气的方法对比，高温直接分解法能耗高，而且存在二次污染的可能；回收利用法各方面都较好，但是尚处于实验室研究阶段，尚无工业化应用；选择性催化还原法成本高而且容易产生二次污染；直接催化分解法工业应用较多，但催化剂成本较高，且活性组分容易被高温烧结，导致催化剂活性降低、寿命减短。

发明内容

本发明属于直接催化分解法，要解决的技术问题是上述各种方法中能耗高、存在二次污染、催化剂成本高、寿命短等问题，而提供一种易于工业化应用的成本低、活性高、寿命长的笑气分解催化剂。

为解决上述技术问题，本发明所采取的合成步骤为：

1、载体表面修饰处理，将载体原粉在NaOH溶液（固液比1：10）中于70℃下搅拌处理2h，然后过滤水洗至中性。接着用酸性溶液按固液比为1:10的比例在80℃下交换3次，每次1h，每次交换后需过滤洗涤。待交换完毕后，于100℃下烘干4h，最后将原粉程序升温焙烧得到载体粉末。

2、载体成型，将步骤1得到的载体粉末与粘合剂以及助挤剂充分混合，然后向混合好的粉末中滴加胶溶剂和水，并进行捏合，最后将捏合好的坯料放入挤条机中，根据需求使用不同的模具挤压成圆柱形、三叶形等特殊形状。自然阴干后于100℃下再烘干4h，最后程序升温焙烧得到成型载体。

3、活性组分负载，采用等体积浸渍法，先将所有活性组分溶于乙醇水溶液中配成活性组分前驱液，再将成型载体浸渍于前驱液中并使之均匀负载，紧接着对其进行控制快速干燥，最后程序升温焙烧得到笑气分解催化剂。

4、步骤1的载体原粉为β分子筛、ZSM-5或者活性氧化铝中的一种，NaOH溶液浓度为0.1~0.5mol/L，酸性溶液为HCl、HNO₃、NH₄Cl或者NH₄NO₃中的一种，浓度为0.1~0.2mol/L。