一种用于脱汞的具有木材3D有序孔道结构的多孔Co3O4催化剂及其制备方法，属于燃煤烟气汞排放控制领域。该催化剂的主要制备方法如下：以来源广泛可再生木材生物碳作为牺牲模板，通过用一定浓度的Co3O4前驱体溶液浸渍、干燥，然后在管式炉中煅烧，使得生物质碳化、活性成分前驱体分解同时进行，之后再在空气条件下烧去木材，得到Co3O4催化剂。以木材为牺牲模板制备的催化剂保留着木材本身天然的输送水和无机盐的有序、直通、3D导管孔道，大大降低反应的传质阻力同时拥有着良好的热稳定性。本发明专利技术的制备方法能够良好的解决传统催化剂孔道无序，传质阻力大，反应温度窗口窄的问题，以较低的催化剂质量在宽温度窗口内能实现较高汞去除效率。除效率。除效率。
【技术实现步骤摘要】
用于脱汞的具有木材3D有序孔道结构的多孔Co3O4催化剂及其制备方法
[0001]本专利技术属于工业脱汞的相关
，属于金属氧化物催化剂催化氧化脱除单质汞的研究与应用，涉及到一种以木材为牺牲模板制备有序孔道的Co3O4催化剂的方法，该催化剂可用于但不限于工业脱汞领域。
技术介绍
[0002]汞具有高毒性、不可降解性和生物积累性，将对生态环境和人群健康产生长期危害。作为当前主要的环境污染物之一，汞引起了全世界的广泛关注。汞的来源可以分为两类，即人为源和自然源。自然源包括：火山、地热活动、森林火灾、土壤和水体的释放等；人为源主要包括：化石燃料燃烧(主要为煤炭燃烧)、有色金属(如铅、锌、铜)冶炼、汞冶炼、混汞法炼金、水泥生产、涉汞企业的生产等。其中，燃煤工业锅炉是最大的人为汞排放源。我国排放贡献率约占全球人为源总排放的1/3，到2010年我国人为源排汞量为538t。到2030年，中国能源消费仍以煤炭为主，煤炭在我国经济发展中的战略地位依旧不可动摇，会带来大量的汞排放和环境污染。因此，开发和发展简易的汞控制技术，成为控制汞排放的当务之急。
[0003]为应对日益严重的汞排放，技术人员开发出了一系列的技术来进行汞的脱除，如催化氧化、光催化、吸附等。活性炭喷射技术作为一种成熟的脱汞技术，在许多的燃煤电厂中得到了应用。然而该技术的一些缺点如较低的吸附能力、巨大的花费等限制了它的广泛应用。目前利用催化氧化方式将单质汞氧化成易处理的二价汞，被认为是处理单质汞的有效方式。Co3O4因氧化还原性能高、价格低廉而受到人们的关注。作为气固多相催化反应，汞的氧化受制于汞向催化剂表面的传质和催化剂表面活性位点数量。目前，多数研究集中在提高催化剂表面活性位点数量上，将Co3O4负载在高比表面积的载体上是常用的方法，常用的载体包括SiO2、Al2O3、TiO2、活性炭等。但是，催化剂载体孔道不规则，且具很多盲孔，导致较大传质阻力。同时，为了获得较高的表面活性位点，需提高Co3O4负载量，导致Co3O4团聚和堵孔，降低催化剂表面可利用的活性位点数量。因此，活性位点数量低、传质阻力大是限制Co3O4催化剂活性的主要原因。
技术实现思路
[0004]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种生物炭模板法制备Co3O4催化剂脱汞的方法，该方法包括利用来源广泛、可再生、具有有序、直通导管孔道的木材生物炭作为牺牲模板，通过用一定浓度的前驱体溶液浸渍、干燥后，在管式炉中煅烧，使得生物质碳化、活性成分前驱体分解，之后再在空气条件下烧去木材炭，制备出Co3O4催化剂。该催化剂保留原有的规则孔道同时暴露更多的活性位点，可很大程度上提高Co3O4催化剂的脱汞活性和温度窗口，解决碳材料本身热稳定性差的问题。
[0005]木材生物质作为生物炭的来源，由于其来源广泛、可再生加上采伐量巨大等优势使其简单易得。且木材生物炭具有天然的运输水和无机盐的导管孔道。该导管孔道孔口直
径约为20
‑
50μm，管壁具有微小的纹孔。端壁具有大的穿孔，靠纹孔联通、穿孔贯穿连接形成有序、直通、3D孔道。同时，导管表面具有亲水官能团，具有较强的亲水性。利用导管作为牺牲模板，有利于浸渍过程中Co3O4前驱体溶液更好的在导管中分散。浸渍后干燥，能使前驱体在导管孔道壁面结晶，拓印导管孔道结构。管式炉中惰性气氛保护煅烧，能有效固化导管结构。最后，在空气气氛煅烧，除去导管模板，制备出独体的Co3O4催化剂，具有完整的导管孔道结构，增加了Co3O4活性位点暴露程度的同时，提高传质效率。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种用于脱汞的具有木材3D有序孔道结构的多孔Co3O4催化剂，所述催化剂以原生木材为载体，作为牺牲模板，并以硝酸钴溶液作为晶种生长原料，得到具有木材天然有序孔道的Co3O4催化剂。
[0008]进一步的，所述催化剂孔道结构为有序直通孔道结构，孔道半径为3μm
‑
30μm。
[0009]一种用于脱汞的具有木材3D有序孔道结构的多孔Co3O4催化剂的制备方法，该制备方法以植物导管为模板制备有序孔道Co3O4催化剂，包括以下步骤：
[0010]步骤(1)载体的预处理
[0011]将木材切割为木片，采用去离子水在85
‑
95℃水煮4
‑
6h，去除木材表面灰尘及可溶性杂质，放入60
‑
80℃鼓风干燥箱干燥8
‑
14h。
[0012]步骤(2)浸渍
[0013]干燥后的木材载体放入质量分数为10
‑
40％的硝酸钴溶液中，在浸渍温度为20
‑
40℃的条件下浸渍12
‑
24h，使硝酸钴进入木材孔道中。之后放入60
‑
80℃鼓风干燥箱干燥处理不少于24h，使硝酸钴结晶，并在导管内部孔道中沉积。
[0014]步骤(3)煅烧
[0015]3.1)将干燥后的样品放入管式炉在氮气氛围中碳化，氮气流量为50
‑
70mL/min，以1
‑
3℃/min的升温速率升温至450
‑
550℃的煅烧温度进行碳化，碳化时间2
‑
4h后取出，该过程使硝酸钴分解，拓印导管内部孔道结构；
[0016]3.2)将取出后的样品放入空气氛围的马弗炉中进行煅烧，以1
‑
3℃/min的升温速率升温至400
‑
500℃的煅烧温度，煅烧2
‑
4h，除去导管模板，得到具有木材天然有序孔道的Co3O4催化剂。
[0017]进一步的，所述步骤(1)中，水煮条件优选为90℃下水煮4h，干燥温度优选为80℃，干燥时间优选为12h。
[0018]进一步的，所述步骤(3)中，管式炉中碳化氮气流量优选为60mL/min。
[0019]进一步的，所述步骤3.1)中，升温速率优选为2℃/min，碳化温度优选为500℃，碳化时间优选为3h。
[0020]进一步的，所述步骤3.2)中，升温速率优选为1℃/min，煅烧温度优选为450℃，煅烧时间优选为3h。
[0021]本专利技术的有益效果为：
[0022](1)利用植物导管表面丰富的含氧官能团，产生较强的亲水性，促进Co3O4前驱体溶液中Co离子向导管孔道内传质，增强导管壁对Co的锚定作用，使催化剂很好地拓印导管孔道结构。制备的催化剂具有有序、联通、3D孔道结构，促进汞氧化过程中汞的传质。
[0023](2)制备的催化剂是Co3O4独体催化剂，没有载体的稀释，表面具有大量汞反应活性
位点，且热稳定性高，450℃煅烧形貌保持不变。
[0024]以上两点使本专利技术制备的催化剂在200
‑
350℃下，实现不低于90％的脱汞效率。
附图说明
[0025]图1为实施案例1制备的催化剂局部的扫描电镜图。
[0026本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于脱汞的具有木材3D有序孔道结构的多孔Co3O4催化剂，其特征在于，所述催化剂以原生木材为载体，作为牺牲模板，并以硝酸钴溶液作为晶种生长原料，得到具有木材天然有序孔道的Co3O4催化剂。2.根据权利要求1所述的一种用于脱汞的具有木材3D有序孔道结构的多孔Co3O4催化剂，其特征在于，所述催化剂孔道结构为有序直通孔道结构，孔道半径为3μm
‑
30μm。3.一种权利要求1所述的用于脱汞的具有木材3D有序孔道结构的多孔Co3O4催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)载体的预处理将木材切割为木片，采用去离子水在85
‑
95℃水煮4
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6h，去除木材表面灰尘及可溶性杂质，放入60
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80℃鼓风干燥箱干燥8
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14h；步骤(2)浸渍干燥后的木材载体放入质量分数为10
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40％的硝酸钴溶液中，在浸渍温度为20
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40℃的条件下浸渍12
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24h，使硝酸钴进入木材孔道中；之后放入60
‑
80℃鼓风干燥箱干燥处理不少于24h，使硝酸钴结晶，并在导管内部孔...
【专利技术属性】
技术研发人员：张晓鹏，程捷，王曦邈，王紫薇，贺高红，宋欣欣，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：
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