[发明专利]一种铜铁复合蜂窝涂覆式脱硝催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种铜铁复合蜂窝涂覆式脱硝催化剂及其制备方法和应用。本发明以离子交换法或浸渍法制备的铜基分子筛为活性组分，添加聚合硅酸铁为助催化组分，以蜂窝堇青石陶瓷块为载体，以铝溶胶为粘结剂。本发明所得催化剂以真空涂覆法制备，操作简单，涂覆过程不易堵孔，易于规模化生产；涂层负载量大，且活性组分涂覆的牢固度高；铜铁双金属之间形成良好的协同催化作用，不仅提高了催化剂的脱硝活性，而且提高了催化剂的抗H₂O和抗SO₂性能。本发明所得催化剂在220~510℃范围内的脱硝效率在90%以上，在移动源和固定源脱硝方向具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，尤其涉及一种铜铁复合蜂窝涂覆式脱硝催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

氮氧化物(NO_x)是一种重要的大气污染物。NO_x的排放给人类生产生活和自然环境带来极大的危害。NO_x不仅会引发酸雨、酸雾及光化学烟雾，促进全球变暖。此外，氮沉降量的增加，会导致地表水的富营养化以及陆地、湿地、地下水系的酸化和毒化，进一步对陆地和水生系统造成破坏。随着国内经济的快速发展，我国汽车保有量持续增长，汽车尾气排放对环境造成的污染日趋严重，已经成为大中城市空气污染物的首要来源之一。其中，柴油车已经成为我国机动车NO_x和PM2.5排放的主要分担者。NO_x的排放量迅速增加，严重污染了生态环境，成为制约社会发展的重要因素之一。因此，如何有效地消除NO_x已成为目前环保领域中一个令人关注的重要课题。

在众多NO_x排放控制技术中，氨气选择性催化还原技术(NH₃-SCR)是目前国际上应用最多、技术最成熟的烟气脱硝技术之一，不仅适用于燃煤电厂、工业锅炉等固定源烟气脱硝，同样也适用于汽油车和柴油车等移动源燃油车尾气脱硝。该技术具有脱硝效率高、选择性好、运行可靠、维护方便等优点。催化剂是NH₃-SCR系统最核心的部分，其性能直接影响系统的整体脱硝效率和稳定性，是脱硝项目成败的关键。

V₂O₅-WO₃(MoO₃)-TiO₂是工业上普遍使用的NH₃-SCR催化剂，其工作温度一般在300～400℃，脱硝效率在90％以上。虽然钒基催化剂应用技术发展成熟，但其应用也存在明显缺陷，主要表现在以下三个方面：第一，V₂O₅属于高毒性物质，在反应过程中容易发生升华或脱落，不仅降低了催化剂的脱硝活性，而且威胁了人体健康并破坏了生态环境，美国和日本已经禁止采用钒基催化剂体系用于柴油车尾气NOx净化。第二，钒矿储量相对较少，钒氧化物前驱体的价格较高。第三，催化剂载体TiO₂在400℃时开始发生烧结，450℃以上时催化剂的寿命会大幅度降低。由于TiO₂晶型由锐钛矿型逐渐转化为金红石型，晶体粒径成倍数增大、微孔数量锐减，使得催化剂的有效比表面积减少，催化剂活性降低。因此，开发宽活性温度窗口、高水热稳定性的新型环保脱硝催化剂是国内外学术界和产业界的一个热点课题。

金属负载分子筛脱硝催化剂不仅具有相对较宽的活性温度窗口，而且还具有较高的N₂选择性，具有良好的应用前景。目前，铜基分子筛作为脱硝催化剂活性组分已经在移动源脱硝领域实现了商业化推广。这种移动源脱硝催化剂是将金属负载的分子筛涂覆于堇青石表面制备而成。堇青石具有热膨胀系数低、重量轻、经济型强等优点，广泛用作机动车后处理装置的催化剂载体。涂覆法能够将分子筛浆料均匀涂覆在堇青石表面，活性组分分子筛的用量相对较少，且有效利用率高。分子筛整体挤出式蜂窝催化剂是将分子筛与载体一起混炼挤出，使得高成本的分子筛有效利用率低。此外，分子筛整体挤出式蜂窝催化剂的孔密度相对较小，比表面积小，使得脱硝活性偏低。