一种三元催化剂微波辅助再生的方法与系统技术方案

本发明专利技术涉及一种三元催化剂微波辅助再生的方法与系统，再生催化剂活性。将微波技术应用于催化剂再生工艺，通过预处理、分类再生、活性组分补充和微波激活处理等环节实现活性再生。检测催化剂的活性位点，具备再生价值按失活原因分热失活、中毒失活、积碳失活三类分别微波辅助消除失活因素，依次微波场环境选择性负载涂层、助剂、活性组分，微波辐射激活催化剂活性位点。本发明专利技术利用微波辅助再生，补充吸收剂强化失活靶点部位微波吸收特性，微波场辅助靶向消除失活因素，定点促进活性位前驱物活化，再生过程无需破碎，极大提高催化剂再生效率，降低活性组分流失率，减少机械结构破坏利于催化剂多次再生，延长催化剂使用寿命，降低再生整体能耗。

【技术实现步骤摘要】
一种三元催化剂微波辅助再生的方法与系统
本专利技术属于催化剂再生
，具体涉及一种三元催化剂微波辅助再生的方法与系统。
技术介绍
公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。催化剂在降低污染气体催化转化温度的同时保持高催化活性，广泛应用于汽车排气转换系统污染气体净化。三元催化剂，由载体、涂层、助剂和活性组分构成，通常选用铂、钯、铑等贵金属作为活性组分，其中铂和钯主要用于一氧化碳和碳氢化合物的氧化催化，铑主要提供氮氧化物的还原活性，同时兼具碳氢化合物的氧化活性。参与汽车排气转换系统气体净化反应后，三元催化剂部分物理化学性质发生变化，催化剂活性和选择性下降，排气转换系统污染气体转化活性呈现出不断降低直至失活的趋势。三元催化剂主要失活方式分为热失活、中毒失活、积碳失活、机械破损等四类。简单地更换全新三元催化剂保证汽车排气转换系统排放达标的措施，固然可根本上提升催化剂活性，但同时引起资源低效利用，增加环境供给压力等问题。此外，三元催化剂机械寿命通常是其化学寿命的2～3倍，在机械结构仍满足使用标准前提下，部分物理或化学原因影响催化剂活性和选择性具备可逆再生活性，且再生后的三元催化剂活性和选择性可恢复至新三元催化剂的80％甚至完全恢复，再生成本是更换新催化剂的一半甚至更低，符合国家可持续和循环经济发展要求。针对三元催化剂失活类型，评估三元催化剂再生利用价值，对具备再生利用价值的三元催化剂通过多种物理和化学方法联合再生，去除存留于催化剂上的有毒物质、覆盖表面的灰尘和由于副反应生成于催化剂表面和孔隙内部的沉积物等，调节改善催化剂结构，补充活性物质增加三元催化剂活性位，恢复催化剂固有组成和构造，可以一定程度恢复三元催化剂活性和选择性，达到排气转换系统净化处理的标准要求。现有的三元催化剂再生方法及相关配套技术在催化剂再生过程中存在以下缺陷：(1)热量从催化剂外部逐渐传递至内部，出现外高内低的温度梯度，产生的热应力损伤催化剂整体结构强度，不利于多次再生；(2)穿透性差，热量难以深入催化剂内部；(3)加热时升温速率慢，无效作用能耗高，产品质量低；(4)温度场可控性差，不利于配置控制系统进行自动化管理；(5)活性组分分散均匀度低，再生效果均匀性差；(6)活性组分流失率高，再生活性组分补充浸渍量大；(7)再生方法单一，没有依据失活原因分类再生，再生效果差。利用微波辐射引入到催化剂再生过程，实现催化剂由内而外低温度梯度快速加热，避免了催化剂模块受热不均匀而破碎或者破裂，现有的利用微波辐射再生催化剂再生过程只是简单利用微波选择性快速加热特性取代常规加热过程，未依据催化剂失活原因针对性利用微波作用特性独特优势辅助三元催化剂再生，减少机械结构破坏利于催化剂多次再生；再者，由于未进行催化剂活性评价针对性添加适量活性组分和特定的吸波介质，催化剂材料吸波性能弱，活性组分流失率高，催化剂活性位点激活率低，微波场辅助催化剂再生效率改善并不明显。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种三元催化剂微波辅助再生的方法与系统。为了解决以上技术问题，本专利技术的技术方案为：一种三元催化剂微波辅助再生的方法，具体步骤为：检测催化剂活性位点，将具备再生价值的催化剂按失活原因分热失活、中毒失活、积碳失活三类；三类催化剂分别微波处理补充吸收剂强化微波吸收特性；补充吸收剂后分别对三类催化剂进行失活再生处理，微波场辅助靶向消除失活因素；失活再生处理后依次微波场环境选择性负载涂层组分、助剂组分、活性组分；负载后进行微波辐射定点激活催化剂活性位。微波，无线电波中一个有限频带，频率范围300MHz～300GHz，波长1毫米至1米。微波加热方式为电磁能转化为催化剂组分的内部储存能，原子外轨道偶极子快速旋转，分子相互摩擦使催化剂整体被加热，催化剂内部和表面在微波辐射下产生热量，短时间内对催化剂所需加热部位升温至合适温度。专利技术人发现利用微波直接作用于活性位点具有较好的再生效果，原理为：利用微波选择性加热特点，选择性直接作用失活靶点部位，微波辐射逐层调节层状结构，提高催化剂结构抗性，有助于催化剂多次再生；微波辐射催化剂被加热靶点部位受热均匀，使得催化剂在再生液中重新浸渍出的活性物质均匀附着在催化剂活性位点，微波辐射下促进催化剂表面的前驱物转化为活性组分，同时热处理部分因受热均匀而产生均匀热应力，能够有效提高再生催化剂载体的机械强度。第二方面，一种三元催化剂微波辅助再生的系统，包括吸收剂补充装置、微波激活装置、组分负载装置、催化活性激活装置，吸收剂补充装置依次连接微波激活装置、组分负载装置、催化活性激活装置，微波激活装置包括热失活再生响应装置、中毒失活再生响应装置、积碳失活再生响应装置，吸收剂补充装置补充吸收剂强化催化剂微波吸收特性，组分负载装置包括涂层负载区、助剂负载区、活性组分负载区，各个组分负载区之间相互独立。本专利技术的有益效果：(1)微波选择性强，利用被加热物质介电性质不同，选择性作用催化剂表面和孔隙内部污染物沉积部位，尤其是催化剂表面产生的积碳具有高效吸收微波的特性，在微波作用下实现微波定向作用积碳，加快沉积物质脱附，活化活性位点，提高能源利用率。(2)微波穿透性强，升温速率快，直接作用内部介电常数高值部位，催化剂受热均匀，有效降低热再生整体温度，从而降低能耗，提高再生效率。(3)微波可控性强、热惯性低，便于配置控制系统进行辐射条件自动化管理。(4)微波辐射通过调节层状结构，降低热应力不均损伤，提高催化剂结构抗性。(5)微波辅助三元催化剂扩孔作业，扩孔溶液受热体积膨胀，气化逸出催化剂表面，刻蚀催化剂形成新的多孔结构，改善失活催化剂孔隙结构，提高催化剂比表面积。(6)微波辐射增强三元催化剂表面活性组分分散均匀度，提高再生活性。(7)微波辐射加热温度均匀，有效降低活性组分流失率和烧结失活率，减少再生活性组分补充量。(8)补充高介电常数吸收剂组分，靶向强化催化剂微波吸收特性。(9)微波辐射可实现催化剂不破碎整体再生，对机械结构破坏强度低，利于多次再生。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为本专利技术的微波辅助燃油汽车三元催化剂再生系统的结构示意图；其中，1、真空泵，2、进气泵，3、预处理装置，4、配药装置，5、超声微波化学反应器，6、第一微波控制器组件，7、磁控管微波发射源，8、传输线，9、波导管，10、超声波控制器组件，11、超声波变幅杆，12、控温组件，13、第一催化评价组件，14、第一再生价值评价装置，15、回收利用装置，16、吸收剂补充装置，17、第二微波控制器组件，18、热失活再本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三元催化剂微波辅助再生的方法，其特征在于：具体步骤为：/n检测催化剂活性位点，将具备再生价值的催化剂按失活原因分热失活、中毒失活、积碳失活三类；/n三类催化剂分别微波处理补充吸收剂强化微波吸收特性；/n补充吸收剂后分别对三类催化剂进行失活再生处理，微波场辅助靶向消除失活因素；/n失活再生处理后依次微波场环境选择性负载涂层组分、助剂组分、活性组分；/n负载后进行微波辐射定点激活催化剂活性位。/n

【技术特征摘要】
1.一种三元催化剂微波辅助再生的方法，其特征在于：具体步骤为：
检测催化剂活性位点，将具备再生价值的催化剂按失活原因分热失活、中毒失活、积碳失活三类；
三类催化剂分别微波处理补充吸收剂强化微波吸收特性；
补充吸收剂后分别对三类催化剂进行失活再生处理，微波场辅助靶向消除失活因素；
失活再生处理后依次微波场环境选择性负载涂层组分、助剂组分、活性组分；
负载后进行微波辐射定点激活催化剂活性位。


2.根据权利要求1所述的三元催化剂微波辅助再生的方法，其特征在于：活性组分为贵金属和非贵金属中的一种或多种物质；进一步，贵金属为Pt、Pd、Rh；进一步，非贵金属为Mn、Co、Fe、Sr、Cu、Ni、Bi；
或，涂层组分包括为Al2O3基材料、堇青石基材料、沸石基材料、钒基材料、MgO材料和SiC材料中的一种或多种物质；
或，助剂组分为稀土金属氧化物和碱金属氧化物中的一种或多种物质；优选的，稀土金属氧化物的金属元素为Ce、Zr、La、Sn、Mo、Ti；优选的，碱金属氧化物为BaO、CaO、SrO；
或，检测催化剂的活性位点的方法为电感耦合等离子体质谱法、光谱分析法、化学滴定法、分光光度计法中的一种或多种方法进行检测；
或，负载活性物质处理过程中微波作用时间可调10～30min，微波能量可调30～60W/kg，微波频率可调2000～4000MHz；
或，微波激活处理过程分为三个过程，分别为第一激活处理、第二激活处理和激活稳定处理过程，三个过程的微波条件相同；
或，活性物质负载后微波激活的条件为：微波作用时间可调10～60min，微波能量可调50～100W/kg，微波频率可调1000～4000MHz。


3.根据权利要求1所述的三元催化剂微波辅助再生的方法，其特征在于：催化剂负载活性物质前，对催化剂进行预处理，利用气体吹扫催化剂，并利用超声波和微波协同清洗、干燥催化剂；
优选的，气体为压缩气体，气体包括空气、氧气、氮气中的一种或多种气体。进一步，气体的压力为0.1～2MPa，吹扫时间为10～30min；
优选的，预处理过程中的清洗剂为酸、碱、盐溶液、络合剂、氧化剂、表面活性剂、去离子水中的一种或多种；
优选的，清洗剂与预处理的三元催化剂的体积比为2:1～5:1，清洗温度为30～50℃，清洗时间为30～60min，清洗次数为2～3次；
优选的，超声波功率可调0～500W，脉冲宽度5～20ms，功率密度可调0.3～0.4W/cm2；
优选的，微波的条件为作用时间范围10～60min，微波能量范围10～100W/kg，微波频率范围100～4000MHz。


4.根据权利要求1所述的三元催化剂微波辅助再生的方法，其特征在于：催化剂负载活性物质前，对三元催化剂根据GBT3428-2017标准进行性能检测，根据催化剂的形貌特征与理化特性，得到催化剂的失活原因和预计使用寿命；
优选的，形貌特征与理化特性的评价参数包括表面磨损程度、晶相结构、抗压强度、比表面积、活性组分、元素组成、转化效率。


5.根据权利要求1所述的三元催化剂微波辅助再生的方法，其特征在于：再生价值评价的过程为：根据GBT3428-2017三元催化剂性能检测标准测试催化剂性能之后，预判催化剂再生价值，依据催化剂形貌特征和理化特性要求设定系统再生价值阈值作为判定条件，将催化剂分为具备再生价值和不具备再生价值两种。


6.根据权利要求1所述的三元催化剂微波辅助再生的方法，其特征在于：微波处理补充吸收剂的过程为：利用微波处理将具备再生价值的催化剂补充吸收剂，强化催化剂微波吸收特性，利用微波辐射催化剂的活性位点，传递能量激活催化剂活性位点；
进一步，吸收剂包括铁氧体粉、羰基铁粉、超微金属粉、碳化硅粉、碳纤维、金属纤维、金属氧化物粉末和有机高分子聚合物中的一种或几种；
进一步优选的，活性物质包括如下质量份的物质：铁氧体粉10～20份、超微金属粉5～10份、氧化铝20～40份、氧化镁10～30份；
进一步，微波作用时间可调10～20min，微波能量可调50～100W/kg，微波频率可调2000～4000MHz。


7.根据权利要求5所述的三元催化剂微波辅助再生的方法，其特征在于：对热失活催化剂的微波激活处理过程包括微波扩孔处理、微波结构强化处理、再生稳定处理；
优选的，微波扩孔区所用扩孔液包括甲酸、乙酸、乙醇等具有较高的损耗角正切值，有效的吸收微波；优选的，扩孔液为20％乙醇有较好的扩孔效果；
优选的，结构强化区浸渍涂层组分，涂层组分包括为Al2O3基材料、堇青石基材料、沸石基材料、钒基材料、MgO材料和SiC材料中的一种或多种物质；
优选的，热失活再生稳定区涂覆助剂组分稀土金属氧化物和碱金属氧化物，助剂组分为稀土金属氧化物和碱金属氧化物中的一种或多种；优选的，稀土金属氧化物的金属元素为Ce、Zr、La、Sn、Mo、Ti中的一种或多种；优选的，碱金属氧化物为BaO、...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋占龙，吴振豪，孙伟婷，赵希强，孙静，毛岩鹏，王文龙，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37