楊超,程華,黃碧純,2
(1華南理工大學環(huán)境與能源學院,廣東 廣州 510006;2華南理工大學工業(yè)聚集區(qū)污染控制與生態(tài)修復教育部重點實驗室,廣東 廣州 510006)
NH3-SCR技術(shù)是以 NH3為還原劑在催化劑的作用下將NOx還原為N2和H2O的煙氣脫硝技術(shù)。自 20世紀 70年代應(yīng)用于固定源 NOx脫除以來,NH3-SCR技術(shù)日趨成熟,在控制大氣中NOx污染方面發(fā)揮了非常重要的作用。催化劑是NH3-SCR技術(shù)中的核心組成部分,根據(jù)SCR催化劑最佳活性區(qū)間的不同,可以分為高溫段催化劑(450~600 ℃)、中溫段催化劑(300~450 ℃)和低溫段催化劑(120~300 ℃)[1]。目前工業(yè)上常用的商業(yè)催化劑體系為V2O5-WO3(MoO3)/TiO2,最佳活性溫度為350℃左右,屬中溫段催化劑,由于所需的溫度較高,SCR脫硝裝置一般置于除塵和脫硫裝置之前,因而催化劑易受到粉塵的沖刷和堵塞,壽命降低。而將脫硝裝置置于除塵和脫硫裝置之后時,則需要加裝煙氣預(yù)熱裝置以滿足催化活性的要求。為避免裝置改造和節(jié)約預(yù)熱成本,開發(fā)在低溫段具有良好SCR活性的催化劑成為了煙氣脫硝領(lǐng)域的一個重要研究方向。
目前研究的低溫 SCR催化劑的活性組分以過渡金屬為主,主要包括 V、Ce、Cu、Mn、Fe、Cr等。催化劑的形式有負載型的,也有幾種金屬氧化物形成的固溶體,負載型催化劑中的載體一般有TiO2、ZrO2、Al2O3、分子篩和碳材料等。低溫SCR催化劑在不含SO2和H2O的煙氣中往往具有良好的反應(yīng)活性,而在實際情況中,經(jīng)過除塵脫硫裝置后煙氣仍然含有H2O和微量的SO2,低溫SCR催化劑在這種條件下易中毒失活,雖然不少催化劑體系經(jīng)過高溫、水洗或H2還原等再生操作后催化活性得到很大程度上的恢復,但頻繁的再生過程顯然不利于工廠的連續(xù)運行。因此,提高催化劑的抗SO2和H2O性能是低溫 SCR技術(shù)能夠得以實際應(yīng)用的關(guān)鍵。較長時期以來,研究者們在這方面做了大量的工作,本文旨在總結(jié)其中的部分成果,以期為后來的研究提供參考。
SCR反應(yīng)起始于 NH3在催化劑上的吸附[2],H2O對低溫SCR催化劑的毒化作用主要是由于H2O與NH3的競爭吸附[3],這種中毒一般是可逆的,當停止通入 H2O后,催化活性可以逐漸恢復。而由SO2產(chǎn)生的催化劑中毒一般是不可逆的,其毒化作用主要分為兩個方面。首先是SO2與NH3在催化劑的作用下生成硫酸銨和硫酸氫銨等,這些硫酸銨鹽類會堵塞催化劑的孔道以及覆蓋催化劑表面的活性位,影響反應(yīng)物在催化劑中的擴散與吸附,從而使催化劑活性降低。由于硫酸銨和硫酸氫銨的熱分解溫度范圍分別為213~308 ℃和308~419 ℃[4],雖然當硫酸銨鹽覆蓋在催化劑表面時其分解溫度會低于這一溫度,但對于低溫SCR,催化劑表面的硫酸銨鹽依然難以分解。對于中溫SCR反應(yīng),硫酸鹽生成量少,對催化劑不構(gòu)成明顯的毒化作用,這一溫度段的催化劑往往具有最佳抗SO2中毒性能。另一方面,SO2直接與活性中心作用,使活性中心金屬原子硫酸化而失去催化活性。其中,第一種失活可通過水洗或高溫處理來再生;第二種失活一般不可再生或再生效果差。有研究結(jié)果表明,針對低溫SCR過程,反應(yīng)溫度越高,催化劑失活越嚴重[5-6],這可能是由于高溫下SO2氧化生成SO3速率增加,而SO3更易于使金屬原子硫酸化。在SO2和H2O同時存在的情況下,催化劑的失活一般更為嚴重,說明SO2和H2O對催化劑的毒化表現(xiàn)出一種協(xié)同效應(yīng)。
傳統(tǒng)的釩鈦基催化劑在 SCR領(lǐng)域的成功應(yīng)用促使研究者們對其進行改造以適應(yīng)低溫 SCR的要求。鑒于活性炭不易被 SO2硫酸化,Zhu等[7]采用等體積浸漬法制備了 V2O5/AC催化劑,在 250 ℃的反應(yīng)溫度下,V負載量為5%時,NO轉(zhuǎn)化率可達80%,在通入SO2后NO轉(zhuǎn)化率不僅沒有降低,反而升高至 90%以上。對于這一反常的現(xiàn)象,Zhu等[8]的進一步研究表明低負載量的V2O5/AC催化劑上存在AC與釩氧化物相互作用,使表面沉積的硫酸銨鹽活化,活化后的硫酸銨鹽可以與NO反應(yīng),因為硫酸鹽類可增加表面的酸性,促進催化劑對NH3的吸附,在這兩方面的作用下催化劑表面不會因為過量的硫酸鹽沉積而失活,反而因為NH3吸附量增加而活性得到增強。而在向V2O5/AC催化劑中同時通入SO2和H2O后[9],硫酸銨鹽生成速率加快,并且與NO的反應(yīng)受到抑制,原來的平衡被打破,過量的硫酸銨鹽沉積使催化劑失活。相比于活性炭,碳納米管(CNTs)具有有序的表面結(jié)構(gòu),對于研究SO2促進以碳材料為載體的釩基催化劑的SCR活性更為有利。Bai等[10-11]向V2O5/CNTs通入SO2后,其對SCR活性的影響為:當溫度高于200 ℃時,SO2能促進SCR反應(yīng),而溫度低于200 ℃時,SO2會抑制SCR反應(yīng);對于V負載量在0.1%~1%的催化劑,SO2的促進作用是明顯的,而高于1%后,促進作用不再顯著。與V2O5/TiO2比較后發(fā)現(xiàn),CNTs能促進表面NH4HSO4的分解,而且V2O5/CNTs表面的NH4HSO4能與NO反應(yīng),這是V2O5/TiO2所不具備的。
對于因為硫酸鹽的生成而堵塞催化劑孔道造成的失活,Soh等[12]分析認為調(diào)整催化劑的形貌結(jié)構(gòu)能有效控制這一失活,并以浸漬法制備了V2O5/Al2O3來證實這一觀點。結(jié)果表明,比表面積和孔徑越大的催化劑抗 SO2中毒能力越強,可由Thomson毛細管冷凝的理論解釋為孔道越大蒸汽壓越高,NH4HSO4越不容易聚集。
Ha等[13]用量子化學的方法推斷具有良好抗SO2性能的催化劑應(yīng)該與硫酸鹽結(jié)合比較弱,即催化劑中金屬原子與硫酸鹽中的氧原子之間作用力比較弱,以這種理論為指導,篩選出了過渡金屬 Sb并制備了Sb-V2O5/TiO2催化劑,240 ℃下向該類催化劑通入含有H2O和SO2的反應(yīng)氣后,NO轉(zhuǎn)化率仍可達 90%以上且出口 SO2濃度也接近進口值,XPS測試結(jié)果也證實反應(yīng)后Sb-V2O5/TiO2表面的S和 N 含量明顯少于 W-V2O5/TiO2。Lee等[14]以 Ha等[13]的研究為基礎(chǔ)向Sb-V2O5/TiO2中繼續(xù)摻雜貯氧能力很強的Ce,制備了具有寬活性區(qū)間和高N2選擇性的 Sb-V2O5-Ce/TiO2催化劑,反應(yīng)過程中 H2O和SO2含量分別為6%和800 μL/L,且在38 h內(nèi)反復切斷和通入SO2,Sb-V2O5-Ce/TiO2的NO轉(zhuǎn)化率可維持在90%左右,而Sb-V2O5/TiO2已降低至60%。不僅如此,Ce的添加還能改善催化劑的氧化還原能力,Chen等[15]在V2O5-WO3/TiO2中摻入Ce,使該催化劑在200~500 ℃的范圍內(nèi)NO轉(zhuǎn)化率能達到90%以上且具有較高的N2選擇性;但在低于300 ℃時,通入H2O和SO2后催化劑會出現(xiàn)比較明顯的失活。Guan等[16]用單步溶液燃燒法(single step solution combustion,SHS)制備的 Ti0.9Ce0.05V0.05O2-σ催化劑依然面臨著這樣的問題,其在 H2O和 SO2的環(huán)境中會緩慢失活,而在N2氣氛中400 ℃熱處理后活性基本可以恢復,表明硫酸銨鹽的沉積仍是該催化劑失活的主要原因。
為解決硫酸鹽沉積的問題,Shu等[17]制備了具有獨特三維結(jié)構(gòu)的 V2O5/WO3/TiO2/Al2O3/金屬網(wǎng)孔蜂窩狀催化劑,經(jīng)過BET、XRD和FT-IR測試表明反應(yīng)后催化劑比表面積減少并不明顯,表面硫酸銨鹽含量也較蜂窩陶瓷狀催化劑少。這是該催化劑在含有H2O和SO2的氣氛中反應(yīng)60 h后, NO轉(zhuǎn)化率仍能維持在92%以上的主要原因。
MnOx含有多種晶格氧,對于完成SCR循環(huán)十分重要,單獨以Mn作為活性組分的催化劑即具有較好的低溫活性,Wang等[18]和Su等[19]分別制備的Mn/MWCNTs催化劑在 230~300 ℃的范圍內(nèi)NO轉(zhuǎn)化率可在90%以上,但Mn基催化劑也容易受到SO2的影響,在通入100 μL/L SO2后,催化劑NO轉(zhuǎn)化率迅速降低至50%左右[6]。與V基催化劑不同,SO2導致 Mn基催化劑中毒的主要原因還有活性中心金屬原子的硫酸化[6,20],這類中毒往往使催化劑失活迅速且難以再生。H2O對Mn/TiO2的低溫SCR活性也有較強的抑制作用[21],且H2O的含量越高,抑制作用越強。
以上的研究結(jié)果表明,單獨以Mn為活性組分的催化劑抗 H2O和 SO2中毒能力比較差。劉曉肖等[22]制備了Y摻雜的Mn-Y/TiO2,其抗SO2和H2O中毒性能強于Mn/TiO2。Qi等[23]用浸漬法制備了Fe摻雜的Mn/TiO2催化劑,發(fā)現(xiàn)在摻雜后不僅催化劑的活性有了提升,在通入SO2和H2O前后催化劑的NO轉(zhuǎn)化率也只降低了10%左右,更為重要的是,在切斷SO2和H2O后催化劑的活性逐漸恢復到原來的水平。Qi等[24]隨后向 MnOx-CeO2混合氧化物中摻雜Fe也觀察到了同樣的現(xiàn)象。說明Fe的摻雜能抑制Mn原子的硫酸化,摻雜后的活性降低主要來自于H2O、SO2與反應(yīng)氣體的競爭吸附,但Qi并未在文中闡述Fe的抑制機理。在Huang等[25]制備的以介孔SiO2為載體的鐵錳混合氧化物催化劑上,當反應(yīng)溫度高于140 ℃時,H2O不再對催化劑產(chǎn)生抑制作用,在H2O和SO2同時存在的環(huán)境下,催化劑的SCR活性會逐漸降低,中毒后的催化劑在N2氣氛下500 ℃熱處理后活性可以恢復到原來的水平,通過FT-IR和TGA測試表明導致催化劑中毒的主要原因在于硫酸銨鹽的沉積,而Mn原子硫酸化的因素可以忽略。Huang等[25]的結(jié)論也得到了 Liu和Jiang等[26-27]的證實:原位紅外的結(jié)果說明Fe-Mn/TiO2催化劑上硫酸銨鹽的沉積阻礙了NO的吸附,切斷了SCR反應(yīng)中的Langmuir-Hinshlwood(L-H)路徑,是催化劑失活的主要原因。本文作者認為關(guān)于為何Mn基催化劑在摻雜Fe后的失活原因由原來的活性中心硫酸化轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩徜@鹽的沉積這一問題值得深入探討。
除了鐵錳系外,鈰錳系也是低溫SCR催化劑研究中的一大熱點,得益于 Ce優(yōu)良的貯氧能力,摻雜Ce后的SCR催化劑氧化還原能力得到增強,往往具有更好的低溫活性。Wu等[28-29]用溶膠-凝膠法制備的 Mn-Ce/TiO2催化劑,其抗 SO2性能較Mn/TiO2有了提升,原因在于Ce的加入使表面硫酸鹽更容易分解且能增加催化表面的 L酸位。Sheng等[30]用共沉淀法制備的 Mn-Ce/TiO2催化劑雖具有優(yōu)良的低溫SCR活性,但其在SO2中依然會有比較嚴重的失活,中毒的原因包括活性中心的硫酸化以及硫酸銨鹽的沉積。Zhang等[31]和 Shen等[32]在制備以Zr為載體的Mn-Ce催化劑時則與Wu和Sheng等的方法不同,他們先以共沉淀法制備了CeO2-ZrO2-Al2O3或CeO2-ZrO2載體,再通過浸漬法將Mn負載到載體上,這種方法制備的催化劑在SO2和 H2O同時存在的環(huán)境中均表現(xiàn)出較小程度的失活,而且切斷SO2和H2O后,催化活性有所恢復。Mn-Ce/ TiO2和Mn-Ce/ZrO2表現(xiàn)出的差異性說明載體和制備過程的不同對催化劑的抗SO2性能有較大影響。
同時研究者們對摻雜了其他過渡金屬元素的Mn-Ce系SCR催化劑的抗SO2和H2O中毒性能進行了研究,摻雜的元素包括Nb[33]、Fe[34]、Cu[34]、V[34]、Co[35-36]、Sn[37-38]和 W[39-40]。其中 Co、Sn和W摻雜的催化劑具有較好的抗SO2和H2O中毒性能。當反應(yīng)溫度從150 ℃升至200 ℃時,催化劑的抗 SO2和 H2O中毒能力提高[36,38],由于溫度較低時有利于硫酸銨鹽的形成,而高溫則容易使活性中心硫酸化,這說明硫酸銨鹽沉積是摻雜其他元素后催化劑中毒的主要原因。
此外,也有研究者從催化劑制備方法上考察催化劑的抗SO2和H2O中毒性能。Yu等[41]分別用溶膠-凝膠法和浸漬法制備了介孔 MnO2-Fe2O3-CeO2-TiO2催化劑,XRD測試結(jié)果表明溶膠-凝膠法制備的催化劑沒有明顯的晶體衍射峰,活性組分分散較好,而浸漬法制備的催化劑衍射峰明顯,他們認為晶體顆粒的存在使浸漬法制備的催化劑具有過強的氧化能力,也就具有比溶膠-凝膠法制備的催化劑更好的低溫活性,同時這也是浸漬法制備的催化劑抗SO2中毒能力較差的原因,因為過強的氧化能力使SO2更易氧化為SO3。Park等[42]比較了以化學蒸汽冷凝法(chemical vapor condensation,CVC)制備的TiO2和以P25為載體制備的Mn/TiO2的性能,結(jié)果表明以 CVC法制備的Mn/TiO2不僅具有更好的低溫SCR活性,其在含有SO2和H2O的反應(yīng)氣中對SO2的吸附量更少,抗SO2和H2O中毒能力更強。Zhang和Fang等[43-45]用原位合成的方法制備了系列高分散的MnOx-CeOx/CNTs催化劑,與傳統(tǒng)浸漬法制備的MnOx-CeOx/CNTs催化劑相比,該方法制備的催化劑有更好的NH3-SCR活性和穩(wěn)定性,抗SO2和H2O中毒性能也有了顯著提高。
Ce是被證明另一個具有良好低溫SCR活性的元素,Ce(Ⅳ)轉(zhuǎn)化為 Ce(Ⅲ)的過程中會釋放出氧并形成氧空位,氧空位易于吸附分子態(tài)的氧使Ce(Ⅲ)轉(zhuǎn)化為 Ce(Ⅳ)從而完成一個催化循環(huán)。含有 Ce的低溫SCR催化劑表面化學吸附氧的比例一般較高,催化劑具有良好的氧化還原能力和低溫SCR活性。但Ce基催化劑依然會在含SO2氣氛中失活,如Xu等[46]以浸漬法制備的Ce/TiO2催化劑。這是由于Ce與 SO2反應(yīng)生成穩(wěn)定的 Ce2(SO4)3,阻斷了 Ce(Ⅳ)與Ce(Ⅳ)之間相互轉(zhuǎn)化的路徑,另外也存在硫酸銨鹽沉積的問題。比較有趣的是Gu等[47]在研究CeO2的SCR反應(yīng)時發(fā)現(xiàn)其在200~500 ℃范圍內(nèi)的NO轉(zhuǎn)化率都不超過40%,而經(jīng)過硫酸化處理后的CeO2在270~520 ℃的范圍內(nèi)有超過95%的NO轉(zhuǎn)化率。Gu等根據(jù)XPS的結(jié)果,對該現(xiàn)象的解釋為SO2促使Ce(Ⅳ)轉(zhuǎn)變?yōu)镃e(Ⅲ),這樣更多的氧空位得以形成,表面化學吸附氧增多,SCR活性得以提高。這種結(jié)論可能與大多數(shù)負載型 Ce基催化劑不符合,但在CeO2晶體中,Ce(Ⅳ)是大量的,氧空位反而比較稀缺,損失少量Ce(Ⅳ)以換取氧空位能提高催化劑的氧化還原能力。
摻雜其他過渡金屬后 Ce基 SCR催化劑的抗SO2和H2O中毒能力會有所提高,Du和Gao等[48-50]用共沉淀法制備了Ce-Cu-Ti催化劑,在SO2存在時Cu會先于Ce被硫酸化,而且形成的CuSO4會防止附近的Ce原子硫酸化。因為CuSO4被認為具有SCR活性[51],CuSO4-CeO2/TiO2-SiO2在SO2或H2O的氣氛中表現(xiàn)良好,而當SO2和H2O共存時,反應(yīng)50 h后會有比較嚴重的失活[52]。反應(yīng)溫度高于 250 ℃時,Shu等[53]制備的Fe-Ce/TiO2催化劑上的SCR反應(yīng)遵循Eley-Rideal(E-R)機理,SO2的影響比較小;當溫度較低時,反應(yīng)遵循L-H機理,硫酸銨鹽的沉積會造成比較明顯的失活。Chang等[54]向CeO2-WO3摻雜Ge和Mn后沒有取得明顯的抗SO2效果。Liu等[55]將Ce負載于用水解法制備的TiO2-SO2載體上,最佳活性區(qū)間的SCR反應(yīng)遵循E-R機理,由于獨特的 Ti-Si網(wǎng)格結(jié)構(gòu),催化劑表面的硫酸銨形成被抑制,在含有SO2環(huán)境中依然保持很高的活性。
Liu等[56-57]用共沉淀法制備了FeTiOx催化劑,對催化劑進行硫酸化處理后,在 150~250 ℃反應(yīng)溫度區(qū)間NO氧化為NO2受到抑制,SCR活性降低。原因在于硫酸化后抑制了NO的吸附,反應(yīng)中的L-H過程被切斷。Mou等[58]制備了γ-Fe2O3納米棒進行NH3-SCR方面的研究,該催化劑具有80%以上NO轉(zhuǎn)化率的溫度區(qū)間為200~400 ℃,在通入SO2和H2O后,該溫度區(qū)間會向高溫段偏移 100 ℃。在350 ℃下反應(yīng),γ-Fe2O3納米棒不會受到SO2和H2O的影響,依然能夠保持原有的形貌和晶面,具有很強的穩(wěn)定性,在低溫時SCR活性降低可能是由于競爭吸附和硫酸銨鹽的沉積。鐵錳氧化物體系[59]和負載于CNTs-TiO2上的鐵銅氧化物體系[60]的抗SO2和H2O性能也得到了研究,含有 Fe3Mn3O8相的Fe-MnOx催化劑性能優(yōu)異,在120 ℃時即有98%的NO轉(zhuǎn)化率,在同時存在SO2和H2O時NO轉(zhuǎn)化率也只下降了10%左右,且切斷SO2和H2O后活性有所恢復。Fe-Cu-Ox/CNTs-TiO2在低溫時易受到 SO2的影響,只有在 300 ℃以上時在表現(xiàn)出良好的抗SO2能力。
以貴金屬(Ag、Pt、Pd等)為活性組分的SCR催化劑一般都是以H2、CO或碳氫化合物(HC)等為還原劑,以NH3作為還原劑的研究較少。Qi等[61]向Fe-ZSM-5摻入微量(<0.1%,質(zhì)量分數(shù))的Pt、Pd或Rh后,催化劑的低溫NH3-SCR活性顯著增強,其中Pt的加入使催化劑在250 ℃時NO轉(zhuǎn)化率由60%升高至 90%,而且在含有 100 μL/L SO2和2.5%H2O的條件下,NO轉(zhuǎn)化率在10 h內(nèi)能維持在80%以上,具有良好的抗SO2和H2O中毒的能力。而Doronkin等[62]制備的Ag/γ-Al2O3催化劑則對SO2比較敏感,在7% H2O存在時,通入10 μL/L SO2后,催化劑的活性區(qū)間明顯向高溫偏移,但中毒后的催化劑在670 ℃和1200 μL/L H2下再生10 min后即可恢復較高活性。在此之前,Shimizu等[63]發(fā)現(xiàn)H2的存在能增強Ag/γ-Al2O3催化劑在NH3-SCR反應(yīng)時的抗SO2性能,在200 ℃和50 μL/L SO2條件下,通入0.5%的H2能使NO轉(zhuǎn)化率在100 h內(nèi)維持在90%以上。但Doronkin認為Shimizu的方法消耗H2量太大(H2∶NO=5∶1),實際應(yīng)用難以接受,改用間歇加入 H2的方法來實現(xiàn) Ag/γ-Al2O3催化劑的連續(xù)工作,即在SCR反應(yīng)過程中當NO轉(zhuǎn)化率低于某值時迅速升溫至 670 ℃并通入 H2再生 10min使活性恢復,然后再迅速降溫至所需溫度完成一個中毒-再生循環(huán),在連續(xù)的20個中毒-再生循環(huán)中,催化劑活性表現(xiàn)出較高的一致性。
Doronkin等[62]隨后也通過研究認為Ag/γ-Al2O3催化劑SO2中毒的原因在于SOx在Ag上的吸附,阻礙了NO轉(zhuǎn)化為NO2,而且670 ℃下通入H2的再生過程只能使Ag納米顆粒上的SOx脫附,對高分散的Ag離子上的SOx不起作用。增大載體的比表面積和Ag負載量都能提高Ag/γ-Al2O3催化劑抗SO2中毒的能力[64]。
根據(jù)以上催化劑中毒的機理和研究結(jié)果,要使催化劑具有較好的抗SO2和H2O性能,主要需要解決硫酸銨鹽沉積和金屬原子硫酸化的問題。因為反應(yīng)溫度降低可以緩解金屬硫酸化,但不利于硫酸銨鹽的分解,所以在低溫條件下硫酸銨鹽的沉積更為嚴重,是低溫SCR催化劑SO2中毒中普遍面臨的問題。表面硫酸鹽的生成雖然可以增加催化劑對NH3的吸附,但是嚴重影響了NO的吸附, SCR反應(yīng)中的L-H過程被切斷,當催化劑主要以L-H機理進行SCR反應(yīng)時活性會顯著降低。已有實驗證明,通過使用較大孔徑和大比表面積的載體以及將粉末狀催化劑制成整體式催化劑,均能減少表面硫酸銨鹽的沉積,但要從根本上解決硫酸銨鹽沉積的問題,可能需要對催化劑上硫酸銨鹽的生成機理作深入分析:一方面通過硫酸銨鹽生成中的控制步驟來抑制硫酸銨鹽的生成;另一方面也可以促進表面硫酸銨鹽的分解,當生成和分解速率達到平衡時,催化劑表面的硫酸銨鹽沉積量可以維持在不影響 SCR反應(yīng)活性的水平。對于金屬原子硫酸化的問題,對活性組分進行保護是比較可行的方法,例如在Ce-Cu催化劑中,Cu先于Ce被硫酸化且生成的CuSO4能對附近的Ce產(chǎn)生保護效應(yīng),避免其硫酸化。
低溫 NH3-SCR是一種實際應(yīng)用價值較高的煙氣脫硝技術(shù),但SO2和H2O引起的催化劑中毒是低溫SCR技術(shù)面臨的一大難題,SO2和H2O中毒的原因復雜,催化劑抗SO2和H2O中毒性能受到活性組分、載體、制備方法等因素的影響。雖然經(jīng)過長期的研究與發(fā)展,在實驗室條件下具有良好低溫SCR反應(yīng)活性和抗SO2、H2O性能的催化劑被開發(fā)出來,但并沒有形成規(guī)律性的結(jié)論與方法,而且關(guān)于催化劑中毒的過程尚待進一步深入研究,例如硫酸銨鹽的沉積是目前低溫 NH3-SCR催化劑所面臨的普遍的失活原因,關(guān)于硫酸銨鹽形成過程卻沒有得到足夠的研究,更沒有系統(tǒng)有效的控制對策,應(yīng)該引起研究者們的廣泛關(guān)注。
[1]劉福東,單文坡,石曉燕,等.用于NH3選擇性催化還原NOx的釩基催化劑[J].化學進展,2012,24(4):445-455.
[2]Kijlstra W S,Brands D S,Smit H I,et al.Mechanism of the selective catalytic reduction of NO by NH3over MnOx/Al2O3Ⅱ.Reactivity of adsorbed NH3and NO complexes[J].Journal of Catalysis,1997,171(1):219-229.
[3]Lin C H,Bai H L.Adsorption behavior of moisture over a Vanadia/Titania catalyst:A study for the selective catalytic reduction process[J].Industrial & Engineering Chemistry Research,2004,43(19):5983-5988.
[4]范蕓珠,曹發(fā)海.硫酸銨熱分解反應(yīng)動力學研究[J].高?;瘜W工程學報,2011,25(2):341-346.
[5]Jin R B,Liu Y,Wu Z B.Relationship between SO2poisoning effects and reaction temperature for selective catalytic reduction of NO over Mn-Ce/TiO2catalyst[J].Catalysis Today,2010,153(3-4):84-89.
[6]羅紅成,黃碧純,付名利,等.MnOx/MWCNTs低溫氨選擇性催化還原 NOx硫中毒機理[J].物理化學學報,2012,28(9):2175-2182.
[7]Zhu Z P,Liu Z Y,Liu S J,et al.A novel carbon-supported vanadium oxide catalyst for NO reduction with NH3at low temperatures[J].Applied Catalysis B:Environmental,1999,23(4):L229-L233.
[8]Zhu Z P,Niu H X,Liu Z Y,et al.Decomposition and reactivity of NH4HSO4on V2O5/AC catalysts used for NO reduction with ammonia[J].Journal of Catalysis,2000,195(2):268-278.
[9]Huang Z G,Zhu Z P,Liu Z Y,et al.Formation and reaction of ammonium sulfate salts on V2O5/AC catalyst during selective catalytic reduction of nitric oxide by ammonia at low temperatures[J].Journal of Catalysis,2003,214(2):213-219.
[10]Bai S L,Zhao J H,Wang L,et al.Study of low-temperature selective catalytic reduction of NO by ammonia over carbon-nanotubesupported vanadium[J].Journal of Fuel Chemistry and Technology,2009,37(5):583-587.
[11]Bai S L,Zhao J H,Wang L,et al.SO2-promoted reduction of NO with NH3over vanadium molecularly anchored on the surface of carbon nanotubes[J].Catalysis Today,2010,158(3-4):393-400.
[12]Soh B W,Nam In-Sik.Effect of support morphology on the sulfur tolerance of V2O5/Al2O3catalyst for the reduction of NO by NH3[J].Industrial & Engineering Chemistry Research,2003,42(13):2975-2986.
[13]Ha H P,Maddigapu P R,Pullur A K,et al.SO2resistant antimony promoted V2O5/TiO2catalyst for NH3-SCR of NOxat low temperatures[J].Applied Catalysis B:Environmental,2008,78(3-4):301-308.
[14]Lee K J,Kumar P A,Maqbool M S,et al.Ceria added Sb-V2O5/TiO2catalysts for low temperature NH3-SCR:Physico-chemical properties and catalytic activity[J].Applied Catalysis B:Environmental,2013,142-143:705-717.
[15]Chen L,Li J H,Ge M F.Promotional effect of Ce-doped V2O5-WO3/TiO2with low vanadium loadings for selective catalytic reduction of NOxby NH3[J].Journal of Physical Chemistry C,2009,113(50):21177-21184.
[16]Guan B,Lin H,Zhu L,et al.Selective catalytic reduction of NOxwith NH3over Mn,Ce substitution Ti0.9V0.1O2-δnanocomposites catalysts prepared by self-propagating high-temperature synthesis method[J].Journal of Physical Chemistry C,2011,115(26):12850-12863.
[17]Shu Y,Sun H,Quan X Improvement of water-,sulfur dioxide-,and dust-resistance in selective catalytic reduction of NOxwith NH3using a wire-mesh honeycomb catalyst[J].Industrial & Engineering Chemistry Research,2012,51(23):7867-7873.
[18]Wang L S,Huang B C ,Su Y X,et al.Manganese oxides supported on multi-walled carbon nanotubes for selective catalytic reduction of NO with NH3:Catalytic activity and characterization[J].Chemical Engineering Journal,2012,192:232-241.
[19]Su Y X,F(xiàn)an B X,Wang L S,et al.MnOxsupported on carbon nanotubes by different methods for the SCR of NO with NH3[J].Catalysis Today,2013,20:115-121.
[20]Kijlstra W S,Biervliet M,Poels E K,et al.Deactivation by SO2of MnOx/Al2O3catalysts used for the selective catalytic reduction of NO with NH3at low temperatures[J].Applied Catalysis B:Environmental,1998,16(4):327-337.
[21]Panagiotis G S,Donovan A P,Balu S U.Low-temperature selective catalytic reduction (SCR) of NO with NH3by using Mn,Cr,and Cu oxides supported on hombikat TiO2[J].Angew.Chem.Int.Ed.,2001,40(13):2479-2481.
[22]劉曉肖,張舒樂,鐘秦,等.SO2和H2O對Y摻雜Mn/TiO2選擇性脫除NO的影響[J].化工進展,2012,31(3):552-557.
[23]Qi G S,Yang,R T.Low-temperature selective catalytic reduction of NO with NH3over iron and manganese oxides supported on titania[J].Applied Catalysis B:Environmental,2003,44(3):217-225.
[24]Qi G S,Yang R T,Ramsay C.MnOx-CeO2mixed oxides prepared by co-precipitation for selective catalytic reduction of NO with NH3at low temperatures[J]Applied Catalysis B:Environmental,2004,51(2):93-106.
[25]Huang J H,Tong Z Q ,Huang Y,et al.Selective catalytic reduction of NO with NH3at low temperatures over iron and manganese oxides supported on mesoporous silica[J].Applied Catalysis B:Environmental,2008,78(3-4):309-314.
[26]Liu F D,He H.Selective catalytic reduction of NO with NH3over manganese substituted iron titanate catalyst:Reaction mechanism and H2O/SO2inhibition mechanism study[J].Catalysis Today,2010,153(3-4):70-76.
[27]Jiang B Q,Wu Z B,Liu Y.DRIFT study of the SO2effect on low-temperature SCR reaction over Fe-Mn/TiO2[J].Journal of Physical Chemistry C,2010,114(11):4961-4965.
[28]Wu Z B,Jin R B,Liu Y,et al.Ceria modified MnOx/TiO2as a superior catalyst for NO reduction with NH3at low-temperature[J].Catalysis Communications,2008,9(13):2217-2220.
[29]Wu Z B,Jin R B,Wang H Q,et al.Effect of ceria doping on SO2resistance of Mn/TiO2for selective catalytic reduction of NO with NH3at low temperature[J].Catalysis Communications,2009,10(6):935-939.
[30]Sheng Z Y,Hu Y F,Xue J M,et al.SO2poisoning and regeneration of Mn-Ce/TiO2catalyst for low temperature NOxreduction with NH3[J].Journal of Rare Earths,2012,30(7):676-682.
[31]Zhang Q L,Qiu C T,Xu H D,et al.Low-temperature selective catalytic reduction of NO with NH3over monolith catalyst of MnOx/CeO2-ZrO2-Al2O3[J].Catalysis Today,2011,175(1):171-176.
[32]Shen B X,Zhang X P,Ma H Q,et al.A comparative study of Mn/CeO2,Mn/ZrO2and Mn/Ce-ZrO2for low temperature selective catalytic reduction of NO with NH3in the presence of SO2and H2O[J].Journal of Environmental Sciences,2013,25(4):791-800.
[33]Casapu M,Krocher O,Elsener M.Screening of doped MnOx-CeO2catalysts for low-temperature NO-SCR[J].Applied Catalysis B:Environmental,2009,88(3-4):413-419.
[34]沈伯雄,劉亭.低溫NH3-SCR催化劑MnOx-CeOx/ACF 的SO2中毒機理[J].物理化學學報,2010,26(11):3009-3016.
[35]Li K,Tang X L,Yi H H,et al.Low-temperature catalytic oxidation of NO over Mn-Co-Ce-Oxcatalyst[J].Chemical Engineering Journal,2012,192:99-104.
[36]Zhang X P,Shen B X,Chen J H,et al.Mn0.4/Co0.1Ce0.45Zr0.45Oxhigh performance catalyst for selective catalytic reduction of NO by ammonia[J].Journal of the Energy Institute,2013,86(2):119-124.
[37]Chang H Z,Li J H,Chen X Y,et al.Effect of Sn on MnOx-CeO2catalyst for SCR of NOxby ammonia:Enhancement of activity and remarkable resistance to SO2[J].Catalysis Communications,2012,27:54-57.
[38]Chang H Z,Chen X Y,Li J H,et al.Improvement of activity and SO2tolerance of Sn-Modified MnOx-CeO2catalysts for NH3-SCR at low temperatures[J].Environmental Science &Technology,2013,47(10):5294-5301.
[39]Zhang Q L,Qiu C T,Xu H D,et al.Novel promoting effects of tungsten on the selective catalytic reduction of NO by NH3over MnOx-CeO2monolith catalyst[J].Catalysis Communications,2011,16(1):20-24.
[40]Xu H D,Zhang Q L,Qiu C T,et al.Tungsten modified MnOx-CeO2/ZrO2monolith catalystsforselective catalytic reduction of NOxwith ammonia[J].Chemical Engineering Science,2012,76:120-128.
[41]Yu J ,Guo F,Wang Y L,et al.Sulfur poisoning resistant mesoporous Mn-base catalyst for low-temperature SCR of NO with NH3[J].Applied Catalysis B:Environmental,2010,95(1-2):160-168.
[42]Park E,Kim M,Jung H,et al.Effect of sulfur on Mn/Ti catalysts prepared using chemical vapor condensation (CVC) for low-temperature NO reduction[J].ACS Catal.,2013,3(7):1518?1525.
[43]Zhang D S,Zhang L,Shi L Y,et al.In situsupported MnOx-CeOxon carbon nanotubes for the low-temperature selective catalytic reduction of NO with NH3[J].Nanoscale,2013,5(3):1127-1136.
[44]Fang C,Zhang D S,Shi L Y,et al.Highly dispersed CeO2on carbon nanotubes for selective catalytic reduction of NO with NH3[J].Catalysis Science & Technology,2013,3(3):803-811.
[45]Zhang D S,Zhang L,F(xiàn)ang C,et al.MnOx-CeOx/CNTs pyridine-thermally preparedviaa novelin situdeposition strategy for selective catalytic reduction of NO with NH3[J].RSC Advances,2013,3(23):8811-8819.
[46]Xu W Q,He H,Yu Y B.Deactivation of a Ce/TiO2catalyst by SO2in the selective catalytic reduction of NO by NH3[J].Journal of Physical Chemistry C,2009,113(11):4426-4432.
[47]Gu T T,Liu Y,Weng X L,et al.The enhanced performance of ceria with surface sulfation for selective catalytic reduction of NO by NH3[J].Catalysis Communications,2010,12(4):310-313.
[48]Gao X,Du X S,Cui L W,et al.A Ce-Cu-Ti oxide catalyst for the selective catalytic reduction of NO with NH3[J].Catalysis Communications,2010,12(4):255-258.
[49]Du X S,Gao X,Cui L W,et al.Investigation of the effect of Cu addition on the SO2-resistance of a Ce-Ti oxide catalyst for selective catalytic reduction of NO with NH3[J].Fuel,2012,92(1):49-55.
[50]Du X S,Gao X,Cui L W,et al.Experimental and theoretical studies on the influence of water vapor on the performance of a Ce-Cu-Ti oxide SCR catalyst[J].Applied Surface Science,2013,270:370-376.
[51]Kantcheva M.FT-IR spectroscopic investigation of there activity of NOxspecies adsorbed on Cu2+/ZrO2and CuSO4/ZrO2catalysts toward decane[J].Applied Catalysis B:Environmental,2003,42(1):89-109.
[52]Tong Ha,Dai J H,He Y,et al.The effects of H2O and SO2on the behaviour of CuSO4-CeO2/TS for low temperature catalytic reduction of NO with NH3[J].Environmental Technology,2011,32(8):891-900.
[53]Shu Y,Sun H,Quan X,et al.Enhancement of catalytic activity over the iron-modified Ce/TiO2catalyst for selective catalytic reduction of NOxwith ammonia[J].Journal of Physical Chemistry C,2012,116(48):25319-25327.
[54]Chang H Z,Li J H,Yuan J,et al.Ge,Mn-doped CeO2-WO3catalysts for NH3-SCR of NOx:Effects of SO2and H2regeneration[J].Catalysis Today,2013,201:139-144.
[55]Liu C X,Chen L,Li J H,et al.Enhancement of activity and sulfur resistance of CeO2supported on TiO2-SiO2for the selective catalytic reduction of NO by NH3[J].Environmental Science &Technology,2012,46(11):6182-6189.
[56]Liu F D,He H,Zhang C B.Novel iron titanate catalyst for the selective catalytic reduction of NO with NH3in the medium temperature range[J].Chemical Communications,2008(17):2043-2045.
[57]Liu F D,Asakura K,He H,et al.Influence of sulfation on iron titanate catalyst for the selective catalytic reduction of NOxwith NH3[J].Applied Catalysis B:Environmental,2011,103(3-4):369-377.
[58]Mou X L,Zhang B S,Li Y,et al.Rod-shaped Fe2O3as an efficient catalyst for the selective reduction of nitrogen oxide by ammonia[J].Angew.Chem.Int.Ed.,2012,51(12):2989-2993.
[59]Chen Z H,Wang F R,Li H,et al.Low-temperature selective catalytic reduction of NOxwith NH3over Fe-Mn mixed-oxide catalysts containing Fe3Mn3O8Phase[J].Industrial & Engineering Chemistry Research,2012,51(1):202-212.
[60]Ma Z X,Yang H S,Bo Li,et al.Temperature-dependent effects of SO2on selective catalytic reduction of NO over Fe-Cu-Ox/CNTs-TiO2catalysts[J].Industrial & Engineering Chemistry Research,2013,52(10):3708?3713.
[61]Qi G S,Yang R T.Low-temperature SCR of NO with NH3over noble metal promoted Fe-ZSM-5 catalysts[J].Catalysis Letters,2005,100(3-4):243-246.
[62]Doronkin D E,Khan T S,Bligaard T,et al.Sulfur poisoning and regeneration of the Ag/γ-Al2O3catalyst for H2-assisted SCR of NOxby ammonia[J].Applied Catalysis B:Environmental,2012,117-118:49-58.
[63]Shimizu K,Satsuma A.Hydrogen assisted urea-SCR and NH3-SCR with silver-alumina as highly active and SO2-tolerant de-NOxcatalysis[J].Applied Catalysis B:Environmental,2007,77(1-2):202-205.
[64]Fogel S,Doronkin D E,Gabrielsson P,et al.Optimisation of Ag loading and alumina characteristics to give sulphur-tolerant Ag/Al2O3catalyst for H2-assisted NH3-SCR of NOx[J].Applied Catalysis B:Environmental,2012,125:457-464.