（化学工程与技术专业论文）低温等离子体耦合催化剂催化氧化co的研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 x 5 l 学科分类号 5 3 0 2 4 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 0 1 9 密级 学位授予单位代码 l o o l 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名孙毅学号 2 0 0 8 0 0 0 0 1 9 获学位专业名称化学工程与技术获学位专业代码 0 8 1 7 课题来源自选课题研究方向化学工程 论文题目 低温等离子体耦合催化剂催化氧化c o 的研究 低温等离子体挥发性有机污染物霍加拉特剂c o 氧化中毒 关键词 蜂窝陶瓷催化剂 论文答辩日期 2 0 1 l 5 2 8事论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师张泽廷教授北京化工大学化学工程 评阅人l陈晓春 教授 北京化工大学 化学工程 评阅入2 于光认副教授北京化工大学化学工程 评阅人3 张泽廷教授北京化工大学化学工程 评阅人4陈晓春教授北京化工大学化学工程 评阅人5 答辩委员会主席陈晓春教授北京化工大学化学工程 答辩委员1丁忠伟教授北京化工大学化学工程 答辩委员2刘伟教授北京化工大学化学工程 答辩委员3贾志刚副教授北京化工大学化学工程 答辩委员4孙巍副教授 北京化工大学化学工程 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b 厂r1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中查 询 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 低温等离子体耦合催化剂催化氧化c o 的研究 摘要 c o 是一种有毒有害气体，其室内污染问题日益受到关注和重视。现 已有许多技术被开发用于控制c o ，其中利用催化剂催化氧化c o 是一种 常用的处理方法。但不同催化剂都有自身应用的缺点，在不同环境中存在 失活现象。近年来低温等离子体( n o n t h e n i l a lp l a s m a ，简称n t p ) 与催 化剂耦合处理挥发性有机污染物( v o l a t i l eo 玛a n i cc o i n p o u n d s ，简称v o c s ) 废气成为人们治理环境污染的热门技术，但放电副产物c o 控制问题成为 该技术发展的瓶颈。 本研究针对催化剂稳定性差的问题，以及低温等离子体降解v o c s 过程中大量生成的c o 副产物，拟采用n t p 和催化剂耦合的方式，来提 高催化剂的稳定性，考察其c o 的催化氧化性能。探讨了催化剂与n t p 耦合后对低浓度c o 催化氧化是否存在耦合效应，考察了c o 初始浓度、 体积空速、水汽浓度对耦合体系中c o 的催化氧化性能的影响。 实验结果表明：1 ) 当催化剂和n t p 耦合时，不同催化剂对c o 的氧 化有不同的改善效果，其中霍加拉特剂( h o p c a l i t e ) 、m 晰- a 1 2 0 3 表现为 处理效果增强，而p d c l 2 _ u c l 2 忙么1 2 0 3 催化剂表现为处理效果减弱。三 种体系中c o 转化率都随着能量密度( s p e c i a le n e 唧d e n s i t y ，简称s e d ) 增大而增大。2 ) 在n t p + h o p c a l i t e 体系中，在低能量密度( s e d = 1 4 3 j l ) 下，c o 转化率受c o 初始浓度、体积空速、水汽浓度因素影响较大。c o 转化率随着c o 初始浓度增加、体积空速增大、水汽浓度升高而下降。在 l 北京化工大学硕士学位论文 高能量密度( s e d = 2 6 1 j l ) 下，c o 转化率基本不受这三种因素的影响， 转化率可以达到9 8 。3 ) 实验初步考察了放电副产物n o x 的生成规律。 发现在单独n t p 放电体系中，尾气中n o x 浓度较低；当加入催化剂后， n 0 x 浓度显著升高，且浓度随着能量密度的增加而升高。在高能量密度 下水蒸汽的加入会增加尾气中n o x 浓度。4 ) 实验初步考察了放电副产物 0 3 的生成规律。在单独n t p 放电体系和n t p l a 1 2 0 3 体系中0 3 浓度随 着能量密度的升高呈现先上升后下降的趋势，其中当能量密度为1 5 0 j l 时，0 3 浓度最大；在n t p + 催化剂耦合体系尾气中0 3 浓度都较低，其中 n t p + h o p c a l i t e 体系降解效果最好，可以把0 3 控制到检测线以下。 同时本文还考察了n t p + h o p c a l i t e 体系抗c l 稳定性，研究表明 n t p + h o p c a l i t e 体系不能有效防止催化剂c l 中毒的发生，且n a 2 c 0 3 a 1 2 0 3 脱氯剂可以一定程度延长c l 中毒时间的发生，但是不能根本解决c l 中毒 问题。 本文还进行了负载型h o p c a l i t e 整体式催化材料的制备研究，考察了 载体酸蚀处理时间、活性组分含量、焙烧时间、尿素扩孔剂加入对整体式 催化剂c o 催化氧化性能的影响，由实验结果可知酸处理4 h ，活性组分 含量8 0 ，焙烧时间1 2 h ，加入尿素条件下制备得到的催化剂具有最佳 c 0 催化活性。 关键词：低温等离子体，挥发性有机污染物，霍加拉特剂，c o 氧化，中 毒，蜂窝陶瓷催化剂 i l a b s t r a c t s t u d yo nn o n t h e r m a lp l a s m a a ss i s t e d ca t aiy s i sf o rc a r b o nm o n o d eo d a t i o n a b s t r a c t c a r b o nm o n o x i d ei sal ( i n do fp o i s o n o u sa n dh a 珊如lg a s ，t h ei n d o o r p o l l u t i o n c o n t r o l p r o b l e mh a s b e e n p a i d m u c hm o r ea t t e n t i o n m a n y t e c l l l l o l o g i e sh a v eb e e nd e v e l o p e df o rr e m o v a lo fc a r b o nm o n o x i d e 矗- o mt h e i n d o o ra i r ，i nw h i c hc a r b o nm o n o x i d ec a t a l y t i co x i d a t i o nt e c h n 0 1 0 9 i e sa r e i n c l u d e d h o w e v e r ，m o s to ft h e s e c a t a l y s t sh a v ep r o b l 锄so fd e a c t i v a t i o ni n s o m es p e c i a le n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s n o n t h e 姗a lp l a s m a ( n t p ，a l s oc a l l e d c o l dp l a s m a s ) c o m b i n e dw i t hc a t a l y t i ct e c l l l l o l o g yi sap r o m i s i n gt e c h n o l o g y f o rv o c s t r e a t m e n t ，b u tt h ep l a s m at r e a t m e n to fv o c sl e a d st ot h ef o 咖a t i o n o fn o n d e s i r e db y p r o d u c t ss u c ha sc a r b o nm o n o x i d e ，w h i c hb e c o m e sm e t e c h n i c a lb o t t l e n e c kt o 向r t h e rd e v e l o p m e n to ft h ep l a s m ah y b d dw i t ht h e c a t a l y s t s t h i sr 印o r ta i m e dt oe l i m i n a t ec a r b o nm o n o x i d ef o m e di nt h ev o c s d e c o m p o s i t i o nu s i n gp l a s m aa n di m p r o v e dt h ec a t a l y t i cs t a b i l i t y t h ec a r b o n m o n o x i d eo x i d a t i o no v e rn o n t h 锄a lp l a s m a d i i v e nc a t a l y s t sw a ss t u d i e d t h es y n e 玛e t i ce f r e c tb e t w e e nn t pa n dc a t a l y s t sw a so b s e r v e du n d e rl o w e r c a r b o nm o n o x i d ec o n c e n t r a t i o n t h ee f r e c t so fc a r b o nm o n o x i d ei n i t i a l c o n c e n t r a t i o n 、 g a s n o wr a t e 、w a t e rc o n c e n t r a t i o no nc a r b o nm o n o x i d e i i l c o n v e r s i o nw e r ea l s os t u d i e d t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 北京化工大学硕士学位论文 1 ) t h ec o m b i n e da p p l i c a t i o no fp l a s m aa n dc a t a l y s t ss h o w e dd i 仃e r e n t s y n e 唱e t i c e f r e c t sf o rc a 而o nm o n o x i d eo x i d a t i o n ， h o p c a l i t e a n d a u 丫- a 1 2 0 3c o 瑚b i n e ds y s t e m sh a v ea ne n h a n c e m e n te 仔e c t ， b u tt h e p d c l z c u c l 2 a 1 2 0 3c o m b i n e ds y s t e mh a sw e a k e ne 任e c t i tw a ss h o w n t h a tt h ec a r b o nm o n o x i d ec o n v e r s i o ni n c r e a s e dw h e nt h es p e c i a le n e 玛y d e n s i t ) 必s e d ) i n c r e a s e d 2 ) i nh o p c a l i t ec o m b i n e ds y s t e m ，t h ec a r b o nm o n o x i d ec o n v e r s i o ni n c r e a s e s u pt o 9 8 w h e nt h es e di s2 6l 班t h ec a r b o nm o n o x i d ei n i t i a l c o n c e n t r a t i o n 、 g a sn o wr a t e 、 w a t e rc o n c e n t r a t i o na r ep r o v e dt ob e o b v i o u s l ya f r e c t e do nt h ep e l f o m a n c eo fc a r b o nm o n o x i d ee l i m i n a t i o n o v e rt h es y n e r g e t i cs y s t e mw i ml o ws e d ，b u th a 坩l ya f f e c t e do nc a r b o n m o n o x i d ee l i m i n a t i o np e r f o r m a n c ew i t hh i g hs e d 3 ) t h en o xf o n n a t i o ni nt h ep r o c e s so fn t pd i s c h a 玛ei si n v e s t i g a t e d i n n t pa l o n es y s t e m ，t h en i t r o g e no x i d ec o n c e n t r a t i o ni nt h eo u t l e ti sl o w ； a d d i n gc a t a l y s t si n c r e a s e st h en i t r o g e no x i d ec o n c e n t r a t i o no b v i o u s l 弘t h e n i t r o g e no x i d ec o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e sw i m 也ei n c r e a s i n gs e d 、凡m e n s e di s2 61j l ，a d d i n gw a t e ri n c r e a s e st h ec o n c e n t r a t i o no fn i t r o g e n o x i d e 4 ) t h eo z o n ef o n n a t i o ni nt h ep r o c e s so fn t pd i s c h a 玛ei si n v e s t i g a t e d ， 如n h e 咖o r ei nn t pa l o n es y s t e ma n dr - a 1 2 0 3c o m b i n e ds y s t e m ，t h e i v a b s t r a c t o z o n ec o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e sw h e ns e di sl o w e rt h a nl5 0 j l ，a n dd r o p s w h e ns e di sh i 曲e rt h a i l15 0 j l ；i nc a t a l y s t sc o m b i n e ds y s t e m ，t h eo z o n e c o n c e n t r a t i o ni s l o w ，w h i c hi s r e d u c e dt on o n - d e t e c ta _ b l el e v e l si n h o p c a l i t ec o n l b i n e ds y s t e m t l l ep o i s o nr e s i s t a n c et oc h l o 抽ei n h o p c a l i t ec o m b i n e ds y s t 锄 i s i n v e s t i g a t e d i tw a ss h o w e d t h a th o p c a l i t ec o m b i n e ds y s t e md on o th a v eg o o d c h l o f i n er e s i s t a n c e a d d i n gn a 2 c 0 3 厂a 1 2 0 3 c a t a l y s tt ot h ec o i l l b i n e ds y s t e m c a np r 0 1 0 n gt h eb r e a k t h r o u g ht i m e ，b u tn o ta v o i dt h ed e a c t i v a t i o no ft h e h o p c a l i t e h o p c a l i t es u p p o r t e do n t h eh o n e y c o m bc e r a m i ci sp r e p a r e db yc o m p o s i t e p r o c e s s i n g ，a n de f r e c t so fb o i l i n gt i m e 、h o p c a l i t em t i o n s 、 c a l c i n a t i o nt i m e 、 a d d i t i o no fu r e aa r ei n v e s t i g a t e d t h ee ) 【p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e 也a tt h e o p t i m a li i i l p r e g n a t i o nt i m ei s4 h ；t h eo p t i m a lh o p c a l i t er a t i o n si s8 0 ；t h e o p t i m a lc a l c i n a t i o nt i m ei s l2 ha n da d d i t i o no fu r e a i nt h i sc o n d i t i o nt h e c a t a l y s th a v eb e s tc a t a l 如cp e r f o r m a n c eo f o x i d a t i o no f c a r b o nm o n o x i d e k e yw o r d s ：n o n - t h e r m a lp l a s m a ，v o c s ，h o p c a l i t e ，c a r b o nm o n o x i d e o x i d a t i o n ， p o i s o n ，h o n e y c o m bc e r a m i cc a t a l y s t v 目录 目录 第一章文献综述1 1 1 前言1 1 2c o 催化氧化催化剂2 1 2 1h o p c a l i t e 催化剂。2 1 2 2 铂、钯催化剂2 1 2 3 金催化剂3 1 3 等离子体概述4 1 3 1 等离子体的基本概念4 1 3 2 等离子体的分类4 1 3 3 低温等离子体的放电方式5 1 3 4 低温等离子体放电装置6 1 4 低温等离子体治理有机废气的研究概况7 1 4 1 单一低温等离子体技术降解v o c s 7 1 4 2 低温等离子体降解v o c s 效率的影响因素9 1 4 3 低温等离子体与催化剂耦合降解v o c s 9 1 4 4 低温等离子体与催化剂耦合方式1 1 1 4 5 低温等离子体与催化剂耦合降解v o c s 的反应机理一1 2 1 5 研究问题的提出1 3 1 6 本论文的研究内容1 3 第二章实验装置及实验方法。1 5 2 1 配气系统1 5 2 2 放电反应系统1 6 2 2 1 高频高压电源1 7 2 2 2 低温等离子体反应器17 2 3 参数测量18 2 3 1 介质阻挡微放电1 8 2 3 2 放电频率和电压的测量1 9 2 3 3 放电功率的测量1 9 v i i 北京化工大学硕士学位论文 2 4 气体组分含量检测。2 l 2 4 1 检测分析方法2 l 2 4 2 数据处理方法2 2 2 4 3h p 6 8 9 0 色谱操作条件2 2 2 5 实验原料及仪器设备2 3 2 5 1 原料与试剂2 3 2 5 2 实验气体2 3 2 5 3 仪器与设备2 3 第三章低温等离子体耦合催化剂催化氧化c o 2 5 3 1 实验部分2 5 3 1 1 气体的配置与等离子反应器2 5 3 1 2 催化剂的制备2 5 3 2 结果与讨论2 6 3 2 1 耦合效应考察2 6 3 2 2c o 初始浓度对c o 转化率的影响3 1 3 2 3 体积空速对c o 转化率的影响3 3 3 2 4 水汽浓度对c o 转化率的影响3 5 3 2 5 低温等离子体放电产生n o x ( n o 、n 0 2 ) 的研究3 8 3 2 6 低温等离子体放电产生0 3 的研究。4 2 3 3 本章小结4 4 第四章低温等离子耦合h o p c a l i t e 的抗c l 中毒稳定性4 7 4 1 实验部分4 7 4 1 1 气体配置与低温等离子体反应器4 7 4 1 2 脱氯剂的制备4 7 4 2 结果与讨论4 7 4 2 1h o p c a l i t e 中毒4 7 4 2 2h o p c a l i t e 中毒预防4 8 4 2 3h o p c a l i t e 再生5 0 4 3 本章小结。5 0 v l i i 目录 第五章负载h o p c a t e 催化剂的整体式材料的制备研究。5 3 5 1 实验部分一5 3 5 1 1 气体配置5 3 5 1 2 整体式h o p c a l i t e 的制备5 4 5 2 结果与讨论5 5 5 2 1 堇青石酸蚀处理对c o 转化率的影响5 5 5 2 2 活性组分比例不同对c o 转化率的影响5 7 5 2 3 焙烧时间对c o 转化率的影响5 9 5 2 4 尿素对c o 转化率的影响6 0 5 3 本章小结6 l 第六章结论6 3 参考文献。6 5 附录。6 9 致谢7 3 研究成果及发表的学术论文7 5 作者和导师简介。7 7 l x c o n t e n 协 c o n t e n t s c h a p t e rll i t e r a t l l r er e “e w 1 1 1h l 缸d d u c t i o n 1 1 2c oo x i d a t i o nc a t a l v s t s 2 1 2 1h 0 p c a l i t ec a t a l y s t 2 1 2 2p tp dc a t a l v s t 。2 1 2 3a uc a t a l v s t 3 1 3p l a s m ai n 仃o d u c t i o n 4 1 3 1b a s i cc 0 咀c e p to f p l a s m a 4 1 3 2c l a s s i f i c a t i o no f p l a s m a 4 1 3 3f o mo f p l 懿m ad i s c h a r g e 5 1 3 4d i s d 1 a r 警ed e v i c eo fp 1 a s m a 6 1 4r e s e 砌lr e v i e wo f n o n m e r m a lp l a s m af o rv o c sc o n t r o l 7 1 4 1v o c sd e 黟a d a t i o nb yn t pa l o n e 。7 1 4 2e f f e c tf a c t o r so fv o c sd e 粤a d a t i o nb yn t p 9 1 4 3n o n - t h 锄a 1p l a s m a a s s i s t e dc a t a l y s i sf o rv o c sd e g r a d a t i o n 9 1 4 4c o u p l i n gp o s i t i o no f n o n - t l l e n n a lp 1 嬲m a - a u s s i s t e dc a t a l y s i s 1 l 1 4 5r e a c t i o nm e c h a n i s m 1 2 1 5o u t l o o l k 蠲dr e s e 础lp r i o r i t i e s 13 1 6r e s e a r c hi i lt l l i sm e s i s 13 c h a p t e r2e x p e r i m e n te q u i p m e n ta n dm e t h o d 。一”1 5 2 1g a ss y s t e m l5 2 2d i s c h a r g er e a c t i o ns y s t e m 16 2 2 1h i g l l 行e q u 吼c y p o w e rs u p p l y 一1 7 2 2 2n t pr e a c t o r 17 2 3p a r l n l e t e rm e a s u r e m e n t 18 2 3 1m i c r o d i s c h a r g ei 1 1d i e l e c t r i cb a m e rd i s c h a r g e s j 1 8 2 3 2m e a s l 】r 锄铋to fd i sc _ h a r g e 行e q u c e c ya n dv o l t a g e 1 9 2 3 3m e a s l 玳m 朗to f d i s c h a 玛ep o w e r 1 9 x i 北京化工大学硕士学位论文 2 4m 既e n to f g 够c o m p o n e i l tc o n t e n t 2 l 2 4 1m e 删咄n ga i l da n a l 姐n gm e m o d 2 l 2 4 2d 砒ap r o c e s s i n gm e t h o d 2 2 2 4 3h p 6 8 9 0g co p 耐i o nc o n d i t i o n 2 2 2 5e ) 【p e r i r n e n tm a t e r i a l s 龇l de q u i p m e n t 2 3 2 5 1m a t 耐a l sa n dr e a g c n t s 2 3 2 5 2e x p e r i m e i l t a lg 雒2 3 2 5 3b q u i p m e n ta 1 1 d 印p a r a t i l s 。2 3 c h a p t e r3s t u d y o fn o n t h e r m a l p l a s m a _ a s s i s t e dc a t a l y s i s f o rc o o x i d a t i o n 。2 5 3 1e x p e r i m 饥t a lp a r t 2 5 3 1 1g a sd e v i c ea n dn t pr 船c t o r 2 5 3 1 2c a t a l y s tp r 印a r a t i o n 2 5 3 2r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 2 6 3 2 1s ) ，i l e r g c t i ce 丘e c t 2 6 3 2 2e 丘e c to fc oi i l i t i a lc o n c e i l 仃a t i o no nc o n v e r s i o no fc o 31 3 2 3e f f e c to f g h s vo nc o i e r s i o no f c o 3 3 3 2 4e f r e c to f v 印o rc o n t e mo nc o i e r s i o no f c o 3 5 3 2 5f o m a t i o no f n o x ( n o 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o p c a l i t er a t i o n so nc a t a l y s t ss t a b i l i t y 5 7 5 2 3e 毹c t so f c a l c i n a t i o nt i m c so nc a t a l y s t ss t a b i l i t y 5 9 5 2 4e 毹c t so f a d d i t i o no f u r e at om ea c t i v ec 0 l i o i do nc a t a l y s t sa c t i v i t y 6 0 5 3c h a p t e rc o n s l u s i o n 6 l c h a p t e r 6c o n c l u s i o n 。6 3 r e f b r e n c e s 。6 5 a p p e n d i x 。6 9 a c k n o w l e d g e m e n t s 。7 3 r e s e a r c hp r o g e n ya n da c a d e m i ct h e s i sp u b l i s h e d 。7 5 a u t h o r sa n di n s t r u c t o r s 。7 7 x i i l 第一章文献综述 1 1 前言 第一章文献综述 近年来采用低温等离子体( n 0 n m e 肌a lp 1 a s m a ，n 1 1 p ) 与催化剂耦合的方式来处 理v o c s 废气成为人们治理环境污染的热门技术之一。该技术将n t p 与催化剂有机的 结合起来，扬长避短，克服了二者单独使用的缺点【1 1 。 国内外大量研究表明，与单独使用n t p 或者催化剂相比，n t p 耦合催化剂的净 化效果显著提高。u r o l a i l d 【2 】等人利用n t p 耦合铁电催化剂对降解低浓度v o c s 进行 了研究，发现等离子体加入催化剂可以明显提高去除效果。能量密度在5 0 0 w s l 下， 添加了铁电物质催化剂后，耦合体系对苯酚转化率由8 4 7 提高到9 3 。x f a i l 【3 】等人 利用n t p 耦合m n 0 2 a 1 2 0 3 催化剂降解三苯( 苯甲苯二甲苯) ，在能量密度为l o j l 时，苯、甲苯、二甲苯的降解率分别从2 、1 9 、4 9 提高到