柴油机尾气中的碱性无机污染物引起Cu-SAPO-18脱硝催化剂的化学失活

明淑君 庞磊 范驰 郭文 董亚浩 刘鹏 陈真 李涛

引用本文: 明淑君,  庞磊,  范驰,  郭文,  董亚浩,  刘鹏,  陈真,  李涛. 柴油机尾气中的碱性无机污染物引起Cu-SAPO-18脱硝催化剂的化学失活[J]. 催化学报, 2019, 40(4): 590-599. doi: S1872-2067(19)63312-7 shu
Citation:  Shujun Ming,  Lei Pang,  Chi Fan,  Wen Guo,  Yahao Dong,  Peng Liu,  Zhen Chen,  Tao Li. Chemical deactivation of Cu-SAPO-18 deNOx catalyst caused by basic inorganic contaminants in diesel exhaust[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2019, 40(4): 590-599. doi: S1872-2067(19)63312-7 shu

柴油机尾气中的碱性无机污染物引起Cu-SAPO-18脱硝催化剂的化学失活

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21473064).

摘要: 选择性催化还原NOx(NH3-SCR)已是柴油机尾气处理系统中有效的NOx减排技术.铜基分子筛催化剂作为潜在的NH3-SCR催化剂已被广泛研究,其中具有AEI结构的Cu-SAPO-18分子筛表现出优异的脱硝活性和水热稳定性,成为柴油机尾气后处理系统潜在的替代品.然而在实际的后处理应用中,生物柴油污染物、发动机润滑剂和燃料添加剂中的一些无机组分(K,Na,S,P,Ca和Mg等)可逐渐聚集在催化剂表面,导致催化剂孔道堵塞和活性位点丢失,最终导致SCR催化剂失活.由于碱金属和碱土金属在柴油衍生物中含量较高,因而其对SCR催化剂的影响引起了人们更多的关注.本文采用浸渍法制备了掺杂不同含量碱性无机污染物(K,Na,Ca和Mg)的Cu-SAPO-18催化剂,以阐明这些污染物对Cu-SAPO-18结构、酸性位点和铜物种的影响.
XRD和氮吸附实验结果表明,低含量污染物的掺入造成催化剂孔道堵塞和比表面积下降,而高含量污染物引入导致催化剂部分结构被破坏,其中高含量Na的引入造成催化剂结构破坏最为严重.H2-TPR和EPR结果表明,污染物引入Cu-SAPO-18后,催化剂的Cu2+数目减少,这是由于Cu2+被K+,Na+,Ca2+和Mg2+取代造成的.被取代的Cu2+由于无法位于离子交换位点上会在煅烧过程中转变成CuO和CuAl2O4,CuO的产生会造成催化剂孔道堵塞甚至部分骨架结构坍塌.另外,NH3-TPD结果表明,与新鲜催化剂相比,被污染的Cu-SAPO-18催化剂总酸性位点减少,这是由于H+和Cu2+被K+,Na+,Ca2+和Mg2+取代造成Brönsted酸和Lewis酸减少造成的.催化剂比表面积的降低、Cu2+数目以及酸含量的减少最终造成催化剂失活,且催化剂失活程度随无机污染物含量的增加而增大.但不同无机组分造成催化剂的失活程度不同,其中K,Na,Ca和Mg造成Cu-SAPO-18催化剂失活程度为K > Na > Ca > Mg.此外,K,Na,Ca和Mg造成Cu-SAPO-18催化剂比表面积、Cu2+含量以及酸含量的减少程度分别为Na > K > Ca > Mg,Na > K > Mg > Ca和K > Na > Ca > Mg.其中酸含量下降程度与催化剂失活程度一致,表明在某种程度上,酸含量对催化剂NH3-SCR活性的影响高于催化剂结构和Cu2+对活性的影响.最后,我们还通过NH3-SCR动力学测试研究了K,Na,Ca和Mg对Cu-SAPO-18催化NH3-SCR反应机理的影响,结果显示新鲜催化剂和被污染催化剂具有相近的活化能,表明无机污染物对Cu-SAPO-18催化NH3-SCR反应机理没有影响.

English

    1. [1] F. Liu, Y. Yu, H. He, Chem. Commun., 2014, 50, 8445-8463.

    2. [2] L. Xie, F. Liu, X. Shi, F. Xiao, H. He, Appl. Catal. B, 2015, 179, 206-212.

    3. [3] T. Yu, M. Xu, Y. Huang, J. Wang, J. Wang, L. Lv, G. Qi, W. Li, M. Shen, Appl. Catal. B, 2017, 204, 525-536.

    4. [4] D. W. Fickel, E. D' D'Addio, J. A. Lauterbach, R. F. Lobo, Appl. Catal. B, 2011, 102, 441-448.

    5. [5] L. Xie, F. Liu, L. Ren, X. Shi, F. Xiao, H. He, Environ. Sci. Technol., 2014, 48, 566-572.

    6. [6] X. Shi, H. He, L. Xie, Chin. J. Catal., 2015, 36, 649-656.

    7. [7] C. Niu, X. Shi, F. Liu, K. Liu, L. Xie, Y. You, H. He, Chem. Eng. J., 2016, 294, 254-263.

    8. [8] M. Moliner, C. Franch, E. Palomares, M. Grill, A. Corma, Chem. Commun., 2012, 48, 8264-8266.

    9. [9] N. Martín, C. R. Boruntea, M. Moliner, A. Corma, Chem. Commun., 2015, 51, 11030-11033.

    10. [10] Y. Li, W. Song, J. Liu, Z. Zhao, M. Gao, Y. Wei, Q. Wang, J. Deng, Chem. Eng. J., 2017, 330, 926-935.

    11. [11] R. Martínez-Franco, M. Moliner, A. Corma, J. Catal., 2014, 319, 36-43.

    12. [12] Q. Ye, L. Wang, R. T. Yang, Appl. Catal. A, 2012, 427-428, 24-34.

    13. [13] Z. Chen, C. Fan, L. Pang, S. Ming, W. Guo, P. Liu, H. Chen, T. Li, Chem. Eng. J., 2018, 348, 608-617.

    14. [14] S. Ming, Z. Chen, C. Fan, L. Pang, W. Guo, K. B. Albert, P. Liu, T. Li, Appl. Catal. A, 2018, 559, 47-56.

    15. [15] Y. Li, J. Deng, W. Song, J. Liu, Z. Zhao, M. Gao, Y. Wei, L. Zhao, J. Phys. Chem. C, 2016, 120, 14669-14680.

    16. [16] O. Kröcher, M. Elsener, Appl. Catal. B, 2008, 77, 215-227.

    17. [17] I. Lezcano-Gonzalez, U. Deka, H. E. van der Bij, P. Paalanen, B. Arstad, B. M. Weckhuysen, A. M. Beale, Appl. Catal. B, 2014, 154-155, 339-349.

    18. [18] M. Klimczak, P. Kern, T. Heinzelmann, M. Lucas, P. Claus, Appl. Catal. B, 2010, 95, 39-47.

    19. [19] Q. Wan, L. Duan, J. Li, L. Chen, K. He, J. Hao, Catal. Today, 2011, 175, 189-195.

    20. [20] L. Chen, J. Li, M. Ge, Chem. Eng. J., 2011, 170, 531-537.

    21. [21] J. Cao, X. Yao, F. Yang, L. Chen, M. Fu, C. Tang, L. Dong, Chin. J. Catal., 2019, 40, 95-104.

    22. [22] S. S. R. Putluru, A. Riisager, R. Fehrmann, Appl. Catal. B, 2011, 101, 183-188.

    23. [23] F. Gao, Y. Wang, N. M. Washton, M. Kollár, J. Szanyi, C. H. F. Peden, ACS Catal., 2015, 5, 6780-6791.

    24. [24] J. Ma, Z. Si, D. Weng, X. Wu, Y. Ma, Chem. Eng. J., 2015, 267, 191-200.

    25. [25] R. Martínez-Franco, Z. Li, J. Martínez-Triguero, M. Moliner, A. Corma, Catal. Sci. Technol., 2016, 6, 2796-2806.

    26. [26] R. Martínez-Franco, M. Moliner, P. Concepcion, J. R. Thogersen, A. Corma, J. Catal., 2014, 314, 73-82.

    27. [27] F. Gao, E. D. Walter, N. M. Washton, J. Szanyi, C. H. F. Peden, Appl. Catal. B, 2015, 162, 501-514.

    28. [28] L. Wang, J. R. Gaudet, W. Li, D. Weng, J. Catal., 2013, 306, 68-77.

    29. [29] B. M. Abu-Zied, Microporous Mesoporous Mater., 2011, 139, 59-66.

    30. [30] B. Pereda-Ayo, U. De La Torre, M. J. Illán-Gómez, A. Bue-no-López, J. R. González-Velasco, Appl. Catal. B, 2014, 147, 420-428.

    31. [31] A. Buchholz, W. Wang, M. Xu, A. Arnold, M. Hunger, Microporous Mesoporous Mater., 2002, 56, 267-278.

    32. [32] J. Chen, P. A. Wright, J. M. Thomas, S. Natarajan, L. Marchese, S. M. Bradley, G. Sankar, C. R. A. Catlow, P. L. Gai-Boyes, J. Phys. Chem., 1994, 98, 10216-10224.

    33. [33] J. Wang, D. Fan, T. Yu, J. Wang, T. Hao, X. Hu, M. Shen, W. Li, J. Catal., 2015, 322, 84-90.

    34. [34] T. Yu, J. Wang, Y. Huang, M. Shen, W. Li, J. Wang, ChemCatChem, 2014, 6, 2074-2083.

    35. [35] J. Xue, X. Wang, G. Qi, J. Wang, M. Shen, W. Li, J. Catal., 2013, 297, 56-64.

    36. [36] B. Chen, R. Xu, R. Zhang, N. Liu, Environ, Sci, Technol., 2014, 48, 13909-13916.

    37. [37] S. Han, Q. Ye, S. Cheng, T. Kang, H. Dai, Catal. Sci. Technol., 2017, 7, 703-717.

    38. [38] P. N. R. Vennestrøm, T. V. W. Janssens, A. Kustov, M. Grill, A. Puig-Molina, L. F. Lundegaard, R. R. Tiruvalam, P. Concepción, A. Corma, J. Catal., 2014, 309, 477-490.

    39. [39] Z. Zhao, R. Yu, R. Zhao, C. Shi, H. Gies, F. Xiao, D. De Vos, T. Yokoi, X. Bao, U. Kolb, M. Feyen, R. McGuire, S. Maurer, A. Moini, U. Müller, W. Zhang, Appl. Catal. B, 2017, 217, 421-428.

    40. [40] A. Godiksen, F. N. Stappen, P. N. R. Vennestrøm, F. Giordanino, S. B. Rasmussen, L. F. Lundegaard, S. Mossin, J. Phys. Chem. C, 2014, 118, 23126-23138.

    41. [41] J. Wang, T. Yu, X. Wang, G. Qi, J. Xue, M. Shen, W. Li, Appl. Catal. B, 2012, 127, 137-147.

    42. [42] M. Zamadics, X. Chen, K. Larry, J. Phys. Chem., 1992, 96, 2652-2657.

    43. [43] M. Xu, J. Wang, T. Yu, J. Wang, M. Shen, Appl. Catal. B, 2018, 220, 161-170.

    44. [44] T. Yu, J. Wang, M. Shen, W. Li, Catal. Sci. Technol., 2013, 3, 3234-3241.

    45. [45] C. Fan, Z. Chen, L. Pang, S. Ming, C. Dong, K. Brou Albert, P. Liu, J. Wang, D. Zhu, H. Chen, T. Li, Chem. Eng. J., 2018, 334, 344-354.

    46. [46] J. Kielland, J. Am. Chem. Soc., 1937, 59, 1675-1678.

    47. [47] T. Yu, T. Hao, D. Fan, J. Wang, M. Shen, W. Li, J. Phys. Chem. C, 2014, 118, 6565-6575.

    48. [48] L. Wang, W. Li, S. J. Schmieg, D. Weng, J. Catal., 2015, 324, 98-106.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  1
  • 文章访问数:  1404
  • HTML全文浏览量:  79
文章相关
  • 收稿日期:  2018-11-19
  • 修回日期:  2019-01-11
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章