一种VOCs催化燃烧整体金属泡沫催化剂及其制备与应用制造技术

本发明专利技术提供了一种贵金属整体催化剂，该催化剂以泡沫镍为载体，以Pt或Pd为活性组分，活性组分的质量负载量为0.1～1％；该催化剂通过离子交换法制得，反应温度为20～90℃；本发明专利技术贵金属整体泡沫镍催化剂的制备方法简单灵活，在催化燃烧VOCs中呈现了优良的活性，并且具有极好的抗水性、抗热冲击性和非常高的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种VOCs催化燃烧整体金属泡沫催化剂及其制备与应用
本专利技术涉及有机废气催化燃烧
，一种直接离子置换贵金属制备成的整体金属催化剂。
技术介绍
近年来，随着快速的城市化和工业化发展，各行业生产中废料的排放给环境造成的危害日益严重，尤其是大气污染中挥发性有机物(VOCs)的排放逐渐增多，成为与SOx和NOx并列的三大主要大气污染物之一，其主要来源于石油精炼、石化加工、染料涂料和各种使用有机溶剂的行业。挥发性有机化合物(VOCs)是指在常温常压下饱和蒸气压约大于70Pa，沸点在260℃以下的一系列有机化合物，如甲苯、乙酸乙酯和乙醛等。有机物的种类和性质差异使其造成的污染危害形式不一，其中大多数排放的VOCs都会导致二次污染物的形成，如对流层臭氧、过氧乙酰硝酸盐和二级有机气溶胶等，这些物质不仅破坏了生态的平衡，还有毒、致癌，给人类的身体健康和生存环境造成了极大的危害。因此，在推行节能减排等法律法规政策的同时，研究高效、经济、环保和实用的VOCs处理技术，在促进经济和社会环境和谐发展方面显得尤为重要。随着环境危害的严峻和环保意识的提高，近年来国家发布了越来越严格的工业废气排放标准，其中环保部在2013年发布的《挥发性有机物(VOCs)污染防治技术政策》中提出了对VOCs生产、运输和销售等环节应采取相关的污染防治策略和方法。目前，行业中针对VOCs的处理已经发展出了多种技术，其主要包含两大类：一类是包含吸附、吸收、膜分离和冷凝等技术的回收法；另一类是包含催化燃烧、热力学焚烧、生物降解、光催化分解和等离子氧化等技术的销毁法。但是由于VOCs种类的不同以及废气排放源环境条件的差异，这些技术在使用过程中都存在着只能处理特定场景等局限性。如冷凝、膜分离和吸附技术由于不能同时处理多种VOCs气体，常用于化工、医药和合成材料行业排放的高浓度VOCs净化及回收；生物处理需要较长的床层反应时间，比较适合于VOCs含量较低的橡胶、食品等行业的除臭；热力学焚烧技术由于能耗需求较高，设备占用体积庞大，适用于石油化工等大型化工企业；等离子体和光催化技术虽然不需要大量能耗投入且反应条件温和，但是其净化效率不高，容易产生臭氧等二次污染。而催化燃烧技术由于应用催化剂降低反应活化能的原理能够使VOCs在较温和条件(一般200～500℃)下深度氧化完全降解成无危害的CO2和H2O，不仅节能环保，而且适用性很广，近年来受到越来越多的青睐和重视。显而易见，催化燃烧技术中最关键的部分就是催化剂，其性能优劣对VOCs的去除效果和催化过程能耗起着决定性的作用。随着催化领域理论的发展和催化剂制备工艺技术的进步，催化剂的结构形式逐渐由从传统的粉末型发展到颗粒型再到如今使用广泛的整体式。整体式催化剂与传统粉末型和颗粒型催化剂相比，具有以下优点：(1)传热效率高。整体式催化剂壁薄、开孔率高，直通孔道大大增加了废气与催化剂的接触面积，气体向表面传热快，使催化剂的着火时间减少；(2)传质效率高。负载型整体式载体上的涂层具有高的比表面积，活性组分能够在其表面充分分散排布，反应物扩散到活性中心的路程缩短，减小了内扩散的影响；(3)床层压降低。载体的几何构型使流体通过催化剂床层时阻力降低，气流的压力下降；(4)放大效应小。实验室和商用催化剂的不同在于孔道数量的多少。催化燃烧主要是一种气固相反应，催化床层的传质传热等性能会显著影响其催化的效果，因此具有以上优点的整体式催化剂被广泛用作催化燃烧催化剂。整体式催化剂的载体根据其基体材质的不同主要分为陶瓷载体和金属载体两大类，其中陶瓷载体主要有堇青石、刚玉、硅酸镁、TiO2和SiC等，金属载体一般用的材质是不锈钢或合金。陶瓷载体通常是用不同原料粉末混合掺杂通过挤压成型制备成整体式，其形貌一般是蜂窝状，如堇青石蜂窝陶瓷、碳化硅蜂窝陶瓷等；而金属载体由于具有良好的延展性和抗拉抗压性能可以制备成各种形貌，如金属丝、金属网以及金属泡沫等。相比于陶瓷载体的传热升温慢和机械性能较差等不足，金属载体具有更多优异的性能，主要有：(1)金属载体具有更大的几何表面积；(2)金属载体不受自身的形状控制，具有结构可调变性；(3)金属载体具有良好的导电性能，且机械强度高；(4)金属载体的热导率高，催化燃烧起燃速度快，催化剂可以迅速发挥作用。因此，用金属载体制备的整体式催化剂在催化燃烧领域的研究和应用越来越广泛。整体式催化剂一般由载体和活性组分构成，其中载体是催化剂的支撑场所，为活性组分提供担载以及流通物料进行反应的场所；而活性组分是催化剂起作用的主要成分，为物料反应提供结合的活性位点。贵金属催化剂一般是采用金属盐类前驱体作为原料，通过浸渍或涂覆的方法将其引入到载体上再将其还原成金属单质态而制备成的，其中Pt和Pd是贵金属催化燃烧VOCs中研究最广泛的元素，已经被研究证明对于C2-C8类有机物具有优异的催化降解效果。金属载体具有可塑性好、机械强度高，且传热速率快等优点而被广泛应用于催化燃烧催化剂，特别是泡沫金属更是拥有独特的三维网状结构和丰富的比表面积，为负载型催化剂的制备提供了良好的基体。但是金属载体表面比较光滑，热膨胀率高，采用传统的涂层制备方法不仅繁琐，而且涂层不牢固，与载体粘结性较差。另外，现有的贵金属催化剂活性组分的负载方式比较复杂，对载体材料种类的要求度高，不易快速方便地进行工业放大生产。因此，针对以上问题，我们调研文献并总结了前人的工作经验，选用了泡沫镍作为载体，通过一种简便的离子交换方法在泡沫镍金属载体表面上置换出金属单质Pt，Pd等活性组分，干燥制备成贵金属整体式催化剂。在此基础上，我们还研究了泡沫金属通过离子交换方法制备成催化剂后在催化VOCs上的性能差异。这些研究的结果可以为工业上相应的应用提供参考的依据。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术提出了一种贵金属整体催化剂及其制备方法与应用，该催化剂的活性位由贵金属提供，能够在相对低温、温和的条件下，将高浓度的VOCs高效、快速降解为CO2和H2O，T90能够达到220℃左右，并且转化率能够稳定达到99％以上。本专利技术的技术方案如下：一种贵金属整体催化剂，该催化剂以泡沫镍为载体，以Pt或Pd为活性组分，活性组分的质量负载量为0.1～1％；该催化剂通过离子交换法制得，反应温度为20～90℃。具体的，本专利技术所述贵金属整体催化剂的制备方法为：将经过预处理的泡沫镍加入活性组分前驱体溶液中，在20～90℃下浸渍置换，通过紫外分光光度计测量溶液吸光度来监测反应进程，当溶液吸光度不再发生变化时反应结束，之后过滤，干燥，得到所述贵金属整体催化剂；所述泡沫镍预处理的方法为：先将泡沫镍置于丙酮中超声震荡30min除去表面油污，接着取出用去离子水冲洗，再依次置于10～30wt％NaOH水溶液、10～30wt％HNO3水溶液中超声震荡30min除去泡沫镍表面的氧化层，之后用去离子水冲洗干净，置于烘箱中110℃干燥2～24h，完成预处理；所述活性组分前驱体溶液为氯铂酸水溶液或氯钯酸水溶液，所述活性组分前驱体溶液中Pt或Pd的质量为泡沫镍质本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种贵金属整体催化剂，其特征在于，该催化剂以泡沫镍为载体，以Pt或Pd为活性组分，活性组分的质量负载量为0.1～1％；该催化剂通过离子交换法制得，反应温度为20～90℃。/n

【技术特征摘要】
1.一种贵金属整体催化剂，其特征在于，该催化剂以泡沫镍为载体，以Pt或Pd为活性组分，活性组分的质量负载量为0.1～1％；该催化剂通过离子交换法制得，反应温度为20～90℃。


2.如权利要求1所述贵金属整体催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：
将经过预处理的泡沫镍加入活性组分前驱体溶液中，在20～90℃下浸渍置换，通过紫外分光光度计测量溶液吸光度来监测反应进程，当溶液吸光度不再发生变化时反应结束，之后过滤，干燥，得到所述贵金属整体催化剂；
所述活性组分前驱体溶液为氯铂酸水溶液或氯钯酸水溶液，所述活性组分前驱体溶液中Pt或Pd的质量为泡沫镍质量的0.1～1％。


3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述泡沫镍预处理的方法为：先将泡沫镍置于丙酮中超声震荡30min除去表面油污，接着取出用去离子水冲洗，再依次置于10～30wt％NaOH水溶液、10～30wt％HNO3水溶液中超声震荡30min除去泡沫镍表面的氧化层，之后用去离子水冲洗干净，置于烘箱中110℃干燥2～24h，完成预处理。


4.如权利要求2所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢晗锋，李剑宇，陈晓，周瑛，耿俊，胡中恒，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33