催化特性论文范文

催化特性论文范文（精选7篇）

催化特性论文 第1篇

对于常规结构的催化器, 由于扩张管的气流扩散, 导致流速分布不均匀, 气流流动集中在载体的中心区域, 而在载体的边缘区域气流量小, 造成中心区域流速过快, 温度过高, 使催化剂在中心区域劣化加快。这种流动不均匀性降低了催化器的转化效率, 又减少了使用寿命。同时, 载体阻力和扩张管壁面气流分离造成的压力损失, 也影响发动机的动力性和经济性。

本文采用ANSYS /CFD有限元分析软件对催化转化器的流动特性进行二维模拟分析, 研究中首先建立常规90°扩张管催化转化器模型, 利用数值模拟的方法分析催化转化器的流动特性, 并通过实验数据验证了模拟分析的正确性。

然后通过建立不同的扩张管模型进行模拟研究, 比较各结构对催化转化器流场的影响。在得到不同扩张管流动规律的基础上, 通过对比分析, 总结各结构对催化转化器流动特性的影响。

通过ANSYS分析后, 90°扩张管催化转化器气体流动特性如图1所示。

对常规结构40°、60°、120°扩张管结构进行模拟分析, 得到了气体流动矢量图, 如图2、图3、图4所示。

从图1～图4所示可以看出, 由于扩张作用, 气流在进入扩张管后速度逐步降低。当气流与载体接触时, 由于载体的阻力作用, 导致气流速度明显降低。气流在扩张管区域内有较强的扰动, 而且在壁面处气流速度降低极大, 与壁面发生分离。同时, 载体中流速分布从中央向周边逐步降低, 中央部分速度高, 扩张管周边区域速度低。

图5为40°、60°、90°、120°扩张管催化器载体端流速分布曲线, 结合图1～图4可以得出, 40°扩张管的流动均匀性最好, 载体入口的速度分布优于其他结构, 其射流区域更大, 涡流区域较小, 载体的速度均匀程度较好。而60°、90°、120°扩张管壁面造成的涡流扰动要大于40°扩张管。由于扩张管角度增大, 导致在扩张管壁面附近气流分离逐渐严重。随扩张管角度增大, 载体处流动均匀性依次降低, 造成催化转化器载体前流动分布的不均匀, 同时造成局部压力损失, 严重影响催化转化器的转化效率和使用寿命。

因此, 根据以上分析可以得出如下结论:

1.扩张段的扩张锥角对气流速度分布均匀性有很大影响, 载体横截面的速度差值随扩张角增大而增大, 合理减小入口扩张管锥角, 可明显改善载体的流动性能。

2.减小入口扩张管锥角, 可以减少气流在扩张管壁面的分离, 以减小涡流区, 使流速分布均匀, 同时降低局部阻力损失。

催化特性论文 第2篇

SCR法烟气脱硝催化剂及其应用特性的探讨

摘要：在介绍SCR法烟气脱硝催化剂工作原理的.基础上,着重阐述了3种典型催化剂的技术特点;并分析了影响SCR催化剂性能的一些因素以及应对措施.最后,对SCR催化剂的发展方向以及催化剂国产化提出了一些建议.作 者：鲁佳易 卢啸风 刘汉周 陈继辉 LU Jia-yi LU Xiao-feng LIU Han-zhou CHEN Ji-hui 作者单位：重庆大学期 刊：电站系统工程 PKU Journal：POWER SYSTEM ENGINEERING年，卷(期)：,24(1)分类号：X701.7关键词：SCR 催化剂 NOx 煤粉锅炉

催化特性论文 第3篇

关键词：长焰煤,催化热解,高效清洁利用

0 引言

近年来, 新疆地区的煤炭资源得到越来越多的开发利用。新疆伊宁县具有丰富的优质煤炭资源, 主要以长焰煤为主[1,2]。伊宁长焰煤具有低硫、低灰、高挥发分、中高发热量和较好的化学反应性等特点。根据煤的催化热解能调整热解产物的分布组成, 实现煤的定向转化, 对煤的高效洁净利用具有重要意义。根据殷红彦、陈小利等成果可知[3,4], 碱金属对长焰煤热解有不同程度的催化作用, 分析碱金属催化热解所得焦油的成分组成和相对含量对于焦油的利用有一定的指导意义。

1 试验部分

本试验采用的原料煤是空气干燥基新疆伊宁长焰煤, 煤样粒度小于0.2 mm。长焰煤的工业分析和元素分析结果如表1所示。按照催化剂金属原子质量与空气干燥基煤样质量比为l%、3%、5%、7%、10%分别向煤样中添加碱金属碳酸盐催化剂K2CO3、Na2CO3。催化热解实验采用GDL-B型煤的葛金试验低温干馏炉。试验方法是将20 g的原煤或按一定比例添加催化剂的煤样装入干馏管, 以5℃/min的升温速率在管式炉内隔绝空气加热, 升温至600℃, 保持15 min, 收集产生的焦油, 采用美国热电气质联用仪 (GC/MS) 对焦油进行定性和定量分析。

2 结果与讨论

对长焰煤非催化热解以及添加3%K2CO3、7%Na2CO3条件下长焰煤催化热解所得焦油组分进行气质联用分析, 各条件下所得煤焦油的GC/MS总离子流色谱图中各峰所代表的主要化合物信息及其质量百分含量分别如表2、3、4所示。

(1) 无催化剂条件下长焰煤低温热解焦油的气质分析。从表2中可知, 无催化剂条件下, 长焰煤低温热解焦油含有50种主要物质, 大致可以分为7.71%苯类化合物、21.56%酚类化合物、47.91%烷烃化合物、22.82%烯烃化合物。其中, 在苯类化合物中, 甲基萘和甲基苯含量最高, 分别占焦油总质量的2.60%和1.84%;酚类化合物主要为苯酚和甲基酚, 分别占焦油总质量的14.65%和5.61%;烷烃化合物主要为C10~C28的直链烷烃;烯烃化合物主要为C10~C23的直链烯烃和苯乙烯, 分别占焦油总质量的17.14%和5.68%。

(2) 3%K2CO3条件下长焰煤低温热解焦油的气质分析。从表3中可知, 添加3%K2CO3所得低温热解焦油含有45种主要物质, 大致可以分为8.95%苯类化合物、32.56%酚类化合物、37.95%烷烃化合物、20.55%烯烃化合物。其中, 苯类化合物中甲基萘含量最高, 约占焦油总质量的5.43%;酚类化合物中主要为甲基苯酚和苯酚, 分别占焦油总质量的18.02%和5.70%;烷烃化合物主要为C12~C28的直链烷烃;烯烃化合物中苯乙烯含量最高, 约占焦油总质量的5.69%。

(3) 7%Na2CO3条件下长焰煤低温热解焦油的气质分析。从表4中可知, 添加7%Na2CO3所得低温热解焦油含有58种主要物质, 大致可以分为10.80%苯类化合物、25.96%酚类化合物、38.17%烷烃化合物、23.47%烯烃化合物。其中苯类化合物中甲基萘含量最高, 约占焦油总质量的4.20%;酚类化合物主要为甲基苯酚和苯酚, 分别占焦油总质量的12.02%和3.94%;烷烃化合物主要为C10~C28的直链烷烃;烯烃化合物中苯乙烯含量最高, 约占焦油总质量的9.76%。

3 结论

通过气质联用分析可知, 长焰煤非催化热解所得焦油以及添加3%K2CO3、7%Na2CO3条件下煤样热解所得焦油的化学组分大致可以分为苯类化合物、酚类化合物、烷烃类化合物以及烯烃类化合物。其中苯类化合物主要为甲基苯、甲基萘及其衍生物;酚类化合物主要为苯酚、甲基苯酚及其衍生物;烷烃类化合物主要为C10~C28的直链烷烃, 也有少量的环烷烃;烯烃类化合物主要为苯乙烯和C10~C23的直链烯烃;但各主要组分的含量以及物质种类在不同催化剂条件下有所不同, 即:所选催化剂均增加了焦油中的苯类化合物的含量而减少了烷烃化合物的含量, 说明催化剂可能促进了长焰煤热解过程中的二次裂解反应。

参考文献

[1]陈鹏.中国煤炭性质、分类和利用[M].北京:化学工业出版社, 2007:27-42

[2]姜云辉, 杨万志, 程遂欣.新疆煤类分布、变质规律及变质作用分析[J].新疆地质, 2008, 26 (3) :301-304

[3]殷红彦.碱金属碳酸盐对煤-CO2气化反应性影响的研究[D].太原理工大学, 2010

催化特性论文 第4篇

图2是ZnO纳米晶的FESEM图, 放大倍数为10万倍。如图所示:晶粒为颗粒状, 颗粒间具有清晰的界面, 粒径基本分布在 (1030) nm, 晶粒发育较完全, 无明显团聚现象。

图3是负载型ZnO纳米晶的PL谱。ZnO的光致发光主要表现在紫外发射和可见光发射。紫外发射来源于自由激子跃迁, 而可见光发射源于内部本征缺陷 (包括氧空位、氧错位、锌空位等) [6]。如图3所示, ZnO纳米晶在380 nm 附近有一较强紫外发射峰, 而可见发射峰几乎观察不到, 说明样品结晶质量好, 结构缺陷少[7]。

负载型ZnO纳米晶的紫外可见透射光谱见图4。ZnO纳米晶的透射率在可见光部分可达到80%以上, 而在紫外部分 (波长小于400 nm) 透射率急剧下降。说明负载型ZnO纳米晶对紫外光具有很强的吸收, 对可见光的吸收非常微弱, 这与ZnO本身的光学特性相一致。

2.2负载型ZnO纳米晶的光催化性能

2.2.1 MB浓度的影响

分别选用5 mg/L, 10 mg/L, 20 mg/L 的MB溶液进行光催化降解试验, 不同浓度下MB溶液的降解率与光照时间的关系见图5。从图5可以看出, MB的光催化降解受初始浓度的影响较大, 初始浓度越低, 降解速度越快。这是由于溶液浓度越高光穿透溶液的能力就越弱, 能参与光催化氧化反应的光子数量减少。另外, 浓度越高, 更多的溶质质点被吸附在催化剂表面, 导致ZnO纳米晶活性部位减少, 从而引起降解效果下降。

2.2.2 H2O2的影响

在上述实验条件下, 分别在100 mL MB溶液中加入2 mL、6 mL、8 mL质量含量30%的H2O2进行光催化降解实验。

图6是H2O2对负载型ZnO纳米晶的光催化效率的影响, MB的浓度为10 mg/L, 体积为100 mL。由图6可知, 外加质量含量30%的H2O2溶液能显著提高负载型ZnO纳米晶对MB的降解效率。当外加H2O2从2 mL增加到6 mL时, MB的降解率逐渐增大, 在4 h 左右可达到94%, 而当外加8 mL H2O2

时, MB的降解效率要比加入6 mL 时有所降低。Dutta K et al[8]认为H2O2既是电子的受体也是羟基自由基OH的去除剂。当H2O2浓度较低时, H2O2作为电子受体, 能有效降低光生电子-空穴的复合几率, 从而增强催化活性。当H2O2浓度过高时, 过量的H2O2会与OH反应生成HO2, 而OH为强氧化剂, 可以氧化相邻的有机物, 从而达到降解的目的[9], 生成HO2, 其氧化能力小于OH, 从而降低了H2O2使用效率。HO2与OH可以进一步生成H2O和O2, 反应方程如下[10]:

$\text{Η}{}_2\text{Ο}{}_2+\text{Ο}\text{Η}\cdot \stackrel{}{}\text{Η}{}_2\text{Ο}+\text{Η}\text{Ο}$2 (3)

HO2+OH$\stackrel{}{}\text{Η}{}_2\text{Ο}+\text{Ο}{}_2$ (4)

3结论

利用射频磁控溅射和水热合成技术在石英玻璃上制备出ZnO纳米晶, 对其物相结构及表面形貌进行了表征, 并以MB为模型有机物考察了其光催化性能。结果表明ZnO纳米晶具有六方纤锌矿结构, 晶粒尺寸在 (1030) nm 之间, 对MB有较高的光催化性, 当加入适量H2O2溶液能显著提高ZnO纳米晶对MB的光催化降解效率。

摘要：先通过射频磁控溅射技术在石英玻璃衬底上得到ZnO种子层, 再采用水热合成的方法制备出负载型ZnO纳米晶, 并通过X射线衍射 (XRD) 、室温光致发光谱 (PL) 及冷场发射扫描电子显微镜 (FESEM) 对ZnO纳米晶的物相结构、结晶质量及晶粒形貌进行表征。以亚甲基蓝 (Methylene Blue, MB) 为模型污染物, 在紫外光的照射下考察了负载型ZnO纳米晶的光催化特性。实验结果表明负载型ZnO纳米晶粒径基本分布在 (10—30) nm范围内, 具有良好的结晶质量且为六方纤锌矿结构。该体系对10mg/L的MB溶液, 4h的降解率可达71%, 外加适量的H2O2溶液, 其降解率可提高到94%。

关键词：负载型氧化锌,纳米晶,光催化,亚甲基蓝,双氧水

参考文献

[1]娄向东, 王田喜, 刘双枝.氧化铁光催化降解活性染料的研究.环境污染治理技术与设备, 2006;7 (4) :97—99

[2]罗永刚, 李大骥, 戴清.活性二氧化钛光催化性能研究与应用.化学工程, 2002;30 (4) :56—58

[3]刘春莲, 林深, 张晓凤.以PAMAM树形分子为模板剂纳米氧化锌的制备及其光催化性能研究.功能材料, 2007;38 (4) :672—675

[4]Daneshvar N, Aber S, Seyed Dorraji MS, et al.Photocatalytic deg-radation of the insecticide diazinon in the presence of prepared nano-crystalline ZnO powers under irradiation of UV-C light.Separation and Purification Technology, 2007;58:91—98

[5]Klug HP, Alexander L E.X-ray diffraction procedures for polycrys-talline and amorphous materials.2nd ed.New York:Wiley, 1974

[6]Kang HS, Kang J S, Kim J W.Annealing effect on the property of ultraviolet and green emissions of ZnO thin films.Journal Applied Physics, 2004;95 (3) :71—73

[7]Hu J W, Bando Y.Growth and optical properties of single-crystal tubular ZnO whiskers.Applied Physics Letters, 2003;82 (9) :1401—1403

[8]Dutta K, Mukhopadhyay S.Chemical oxidation of methylene blue using a Fenton-like reaction.Journal of Hazardous Materials, 2001;84 (1) :57—71

[9]程晓丽, 霍丽华, 徐英明, 等.氧化锌纳米粉体的制备及其光催化性能研究.光散射学报, 2006;18 (4) :306—308

催化特性论文 第5篇

本实验是在发动机性能实验室完成的。通过实验分别测量35N•M、70N•M、105N•M、140N•M扭矩下, 每个扭矩下转速分别在1200r/min、1500r/min、2000r/min、2500r/min、3000r/min、3500r/min时的发动机性能, 掌握没有安装催化器、安装原催化器和安装改进型催化器三种状态下的发动机功率和油耗, 并比较原转化器和改进型转化器对发动机功率和油耗的影响。

1 实验基础

对国内某轻型汽车用三元催化转化器内部流场进行二维数值分析。通过改变催化转化器有关结构参数, 设计催化转换器壳体结构改进方案。在此基础上, 对没有安装催化转换器 (原机) 、安装原催化转换器 (原转换器) 和安装试制改进型催化转换器 (改进型转换器) 进行实验比较。

2 实验数据分析

2.1 扭矩在35N·M时, 各个转速下三种状态发动机的功率和油耗实验结果分析

从图1功率图可知, 三种状态的发动机功率相差很小, 说明两种转化器对在扭矩为35N·M时发动机的影响不大。从图2可知, 在安装原转化器的发动机的油耗比原机和安装改进型转化器的油耗高, 安装改进型转化器的发动机比原机油耗略高, 但三者的差别并不大。

2.2 扭矩在70N·M时, 各个转速下三种状态发动机的功率和油耗实验结果分析

由图3功率曲线图可知, 三种状态的发动机功率基本一致, 说明两种转化器对发动机的功率影响不大。由图4可知, 安装原转化器和安装改进型转化器的油耗比原机要低些, 而且改进型转化器的油耗比原转化器的要低些, 说明改进型转化器的燃油经济性比较好。

2.3 扭矩在105N·M时, 各个转速下三种状态发动机的功率和油耗实验结果分析

由图5功率曲线图可知, 与前几种功率对比结果相同, 两种转化器对发动机的功率基本没有影响, 两者在对发动机功率影响上没有差别。由图6可知, 虽然安装了原转化器的发动机的油耗比原发动机的稍微高些, 但改进型转换器的油耗量与前几种状态的比较结果相似, 即改进型转换器的油耗量最低, 燃油经济型最好。

2.4 扭矩在140N·M时, 各个转速下三种状态发动机的功率和油耗实验结果分析

由图7功率曲线图可知, 与前面对功率对比结果相同, 两种转化器对发动机的功率没有影响。由图8可知, 与前面的油耗量对比结果相似, 原转化器比原机的油耗略高, 而改进型转化器的油耗比其他两种状态的油耗要低, 说明改进型转化器的燃油经济型很好。

3 结束语

通过发动机速度特性实验结果分析, 安装改进型催化器的发动机在各个工况下对发动机的功率影响不大, 而对发动机的燃油消耗量有轻微影响。在绝大多数工况下, 安装有改进型转化器的发动机燃油消耗量最小, 燃油经济性最佳。该型转化器在与发动机的匹配上有一定的优势, 可以作为生产的改进方案。

参考文献

[1]王春旋.催化转化器起燃特性与多结构流场仿真研究[D].广州:华南理工大学, 2010.

[2]李欣, 杜慧起.基于发动机外特性实验的三元催化转换器净化性能研究[J].天津职业院校联合学报, 2012, (14) :41-43.

催化特性论文 第6篇

TiO2被认为是当前最具有开发前景的环保型光催化剂, 利用其去除水体中污染物的机理及应 用得到了 深入研究。 在光照条件下TiO2能持续不断产生电子-空穴对,被表面吸附的物质所捕获,发生相应的反应:水体中溶解的金属离子得到电子而被还 原,如Tl(Ⅰ)[1]、Cr(Ⅵ)[2]、Hg(Ⅱ)[3]、Cu (Ⅱ)[4,5,6]等;有机物质包括一些难降解的物质如杀虫剂、除草剂、染料和电镀添加剂等得到空穴而被氧化[7],如水杨酸[8]、 EDTA[9]、酚类[10]和偶氮染料[11]等。

目前多数使用粉末状TiO2光催化去除污染物,而粉末TiO2不但容易产生团聚而降低活性,而且难于从水溶液中分离和回收,因此负载型TiO2在应用领域引起了人们的广泛关注。许多多孔 材料,如多孔氧 化铝[12]、氧化硅[13]、分子筛[14]以及活性炭[15]等常被用来做催化剂的载体;然而这些载体本身仍是以颗粒形式存在,从反应介质中分离和回收催化剂的问题依然存在,因此开展其它形式的TiO2固载化研究非常重要。

本实验以有机塑料聚氨酯(PU)薄膜为载体制备复合型光催化剂,并对其活性和稳定性进行研究。

1实验

1.1主要试剂与仪器

萘普生(NPX);甲苯-2,4-二异氰酸酯(PDI);聚氨酯膜片 (0.1mm);γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂(KH-550);300 W紫外灯(主波长365nm,上海亚明灯泡厂);多功能光化学反应仪(SGY-II,南京斯东柯);傅里叶变换红外光谱(EQUINOX55S,德国布鲁克);衰减全反 射傅里叶 红外光谱 仪 (Nicolet 5700,美国Thermo ESI);扫描电子 显微镜(Ultra 55,德国ZEISS);比表面积仪(GeminiV,美国Mike);高效液相色谱仪(G4203-68708,德国)。

1.2PU/TiO2复合材料的制备

1.2.1TiO2纳米管的制备

以混晶型P25TiO2(Degussa)为原材料,粒子平均粒径21nm,比表面积59.3m2/g,锐钛矿、金红石质量比大约为80∶20。采用水热合成法制备TiO2纳米管[5]。

1.2.2聚氨酯薄膜预处理及表面活化

将聚氨酯膜片裁剪成大小1cm ×1.5cm,先后在乙醇、 甲苯溶液中超声洗涤15min,以除去表面的有机物质;然后在40 ℃下真空干燥15h,备用。

将20mL甲苯溶液、2mL PDI、0.5mL三乙胺(使用前干燥)混合于150 mL三口瓶中,再加入3片经过预处理的 (1cm×1.5cm)PU膜片,磁力搅拌。在氮气保护下,加热到60 ℃,并保持温度1h不变,以在其表面充分引入异氰酸酯基团[16]。反应结束后,将表面活化聚氨酯膜片(PU-NCO) 用除水的甲苯淋洗数次后,置于真空干燥箱中40 ℃下干燥12h。

1.2.3TiO2纳米管的硅烷化

取0.4g纳米管加入装有40mL甲苯的三口烧瓶中,超声分散30min之后分别加入1.47mL KH-550和2滴三乙胺,在60~65℃下加热搅拌6h,反应结束后加入120mL甲醇去除剩余的硅烷偶联剂分子,过滤后取出沉淀物,依次用甲醇、去离子水和丙酮洗涤,最后得到的产物在80 ℃下真空干燥12h,备用[17]。

1.2.4负载PU/TiO2薄膜的制备

取6.758g过硫酸钾溶解于50mL容量瓶中,得到浓度为0.5mol/L过硫酸钾溶液;取硅烷化的纳米管0.2g加入装有100mL甲苯的烧瓶中,超声分散10min后加入表面活化处理的PU膜片,然后通入氮气保护,在室温下加热搅拌至60~65℃,同时缓慢滴加5mL 0.5mol/L过硫酸钾溶液, 避光反应6h,反应结束自然冷却至室温,过滤后取出沉淀物,用乙醇反复冲洗,真空干燥,得负载PU/TiO2薄膜。

1.3萘普生溶液的配制

采用超纯水配制含萘普生的模拟废水,称取0.0050g的萘普生溶于500mL容量瓶中,锡纸包裹避光,50 ℃恒温振荡24h,配成初始浓度为10mg/L的溶液,测定初始pH=5.0。

1.4光催化实验装置

光催化反应都在旋转式光化学反应器中进行(图1)。将300W紫外灯置于一石英冷阱内,冷阱外为6支50mL具塞石英比色管,内装反应液,平均光强大约为8MW/cm2。

1.5分析测定

样品经0.22μm的滤膜过滤后,采用高效液相分析萘普生的浓度。色谱条件:柱子类型,150mm×4.6mm×5μm C18柱,检测器,紫外检测器(波长254nm),进样量20μL;流动相,0.01mol/L磷酸二氢钾(经磷酸调节pH值为3)/甲醇体积比为1∶3;流速1mL/min;柱温25 ℃。萘普生的降解率由式(1)计算。

式中:η为t时刻降解率,C0为初始浓度(mg/L),Ct为t时刻的浓度(mg/L)。

2结果与讨论

2.1结构表征

2.1.1TiO2纳米管表征分析

对制备的TiO2纳米管采用FTIR、XRD和BET进行表征。结果表明纳米管晶型主要为锐钛矿,有少量的金红石, 含有丰富的羟基[5];测得TiO2纳米管的BET比表面积 为96.7m2/g,比原料TiO2纳米颗粒 的BET比表面积 (59.3 m2/g)大,表明制备的TiO2纳米管具有更强的吸附能力。理论上说明材料应该具有良好的光催化活性。

2.1.2硅烷化TiO2纳米管表征分析

对硅烷化的TiO2纳米管进行SEM和FTIR表征。图2、图3分别为SEM和FTIR光谱图。图2表明经硅烷化的纳米管仍具有中 空的管状 结构。由图3可见,样品在911 cm-1出现吸收峰,该峰为硅烷偶联剂水解后与纳米TiO2表面的羟基发生缩合作用生成Ti-O-Si键[18];而1126cm-1处是样品中Si-O-Si的吸收峰,显示在硅烷偶联剂水解产生的硅烷醇之间也发生了缩合作用,这样就形成了硅醇与硅醇之间,硅醇与TiO2之间交错结合的现象,有利于在载体表面形成多层结构,防止纳米材料光催化作用对载体的氧化。由于TiO2表面存在大量的游离羟基,其吸收峰的区间与胺基中N-H键的吸收峰区间相近,所以不能通过3419cm-1和1627 cm-1处判断N-H键的存在,但是1501cm-1处的吸收峰可以证明这是伯胺基,原因是硅烷醇与TiO2表面羟基交互作用, 伯胺基的变形振动峰会向低波数转移[19];2925cm-1则是亚甲基的伸缩振动峰。这些特征峰说明通过硅烷化作用,特定的官能团已经接枝在纳米TiO2表面,得到表面接枝氨丙基硅氧烷的改性TiO2纳米管。

2.1.3PU薄膜的表征分析

图4(a)、(b)分别是PU薄膜经预处理和活化的ATRFTIR光谱图。由图4可见,只是经过预处理的PU薄膜表面没有功能反应基团,而采用三乙胺为催化剂,利用过量的PDI在薄膜表面进行反应,可以使PU薄膜表层形成自由的异氰酸酯基团。对比图4(a)、(b),PU-NCO膜在2271cm-1处存在很明显的异氰酸酯的特征峰[20],表明PU薄膜的活化效果良好,说明成功在PU薄膜表面引入了异氰酸酯(NCO) 基团。

2.1.4负载PU/TiO2薄膜表征分析

图5为经活化后的PU薄膜SEM图(a)及负载TiO2纳米管后的PU膜表面SEM图((b)、(c))。由图5可见,经活化处理的PU薄膜表面光洁;负载纳米管后的PU膜表面粗糙,覆盖有多层TiO2纳米管。其原因可能是底部纳米管与PU薄膜通过表面接枝相连,而上部则是硅烷偶联剂水解后与纳米TiO2表面的羟基发生缩合作用生成Ti-O-Si键,使得在TiO2纳米管之间相互接枝团聚形成多层网状结构,但是分布不太均匀。

负载TiO2纳米管后的PU红外光谱图如图6所示。从图6中可以看出在1685cm-1处出现酰胺的羰基伸缩振动吸收,且在1558cm-1出现 “酰胺 Ⅱ 峰 ”(C-N-H的弯曲振 动)[21],充分说明经过表面活化的PU-NCO薄膜与纳米管表面的伯胺基发生接枝反应,形成仲酰胺;在910cm-1为Ti-OSi键的吸收峰。改性后TiO2纳米管表面伯胺基与异氰酸酯基团发生反应,从而使TiO2纳米管负载于PU薄膜表面。

综合表明TiO2纳米管成功接枝在PU薄膜表面。

2.2负载PU/TiO2薄膜光催化活性研究

以萘普生为目标降解物,进行负载PU/TiO2薄膜光催化活性研究,实验结果如图7所示。

首先进行光解实验,准确量取20mL浓度为10.00mg/ L萘普生溶液加入5支50mL石英试管中,放于光化学旋转反应器中,300 W紫外灯光照进行光解实验。

同时进行暗吸附实验,往5支50mL分别装有20mL浓度为10.00mg/L萘普生溶液的石英试管中各加入2块1cm× 1.5cm的负载PU/TiO2薄膜,放于光化学旋转反应器中,避光进行反应。经5min暗吸附之后,开启光源,空气曝气搅拌,开启冷却水,温度控制在26 ℃,进行光催化降解反应。

由图7可以发现负载PU/TiO2薄膜对萘普生有一定的吸附作用;经5min直接光解,萘普生浓度只是稍微下降;而利用负载PU/TiO2薄膜光催 化降解,5 min即可使10.00 mg/L萘普生溶液接近完全降解,降解速率大大提高。这说明负载PU/TiO2薄膜具有很好的光催化活性。

2.3负载PU/TiO2薄膜稳定性研究

由2.2可知,负载PU/TiO2薄膜对萘普生的降解具有良好的光 催化活性,仍以萘普 生为目标 物,反应时间 为5 min,研究负载PU/TiO2薄膜在水体中的稳定性,结果如图8和9所示。

图8表明,每次使用后,负载PU/TiO2薄膜不经过其它形式处理,重复使用10次后,光催化降 解效率出 现明显下 降,产生催化剂失活现象。如果每次使用后,用乙醇反复冲洗PU薄膜表面,即使重复使用10次,仍然表现出较高的活性。

图9显示,重复使用10次,每次使用后都经乙醇冲洗, 每次光催化降解目标物效果较为接近。由此可见即使出现催化剂失活现象,其原因也不应该是由纳米管的逐渐流失引起,而是每次使用后,没有清洗薄膜表面,致使负载PU/TiO2薄膜表面逐渐被反应物和产物所占 据,逐渐积累 导致其失 活。

3结论

(1)以纳米TiO2为原料,采用水热合成法制备TiO2纳米管;然后对TiO2纳米管进行硅烷化,同时对聚氨酯膜片进行预处理和活化,以其为载体负载TiO2纳米管,成功制备了TiO2纳米管固载化的光催化材料。

催化特性论文 第7篇

随着我国柴油机排放法规愈加严格,法规中柴油机氮氧化物(NOx)排放限值越来越低,国-Ⅳ法规NOx限值为3.5g/(kW·h),国-Ⅴ标准中这一限值将降至2.0g/(kW·h)[1]。目前解决柴油机NOx排放的主要手段是采用优化缸内燃烧,并在柴油机排气系统加装选择性催化还原(selective catalyst reduction,SCR)系统[2]。SCR系统通常向排气管中喷射尿素,经过热解水解后,以氨作为还原剂在SCR催化剂表面将柴油机排气中的NOx还原为N2和水[3]。但是尿素SCR系统也存在一些应用问题,如NOx低温转化效率低下,排气管路产生沉积物及氨泄漏等[4,5]。SCR的催化剂储氨量与氨泄漏关系密切。目前国内学者对于尿素SCR的NOx反应特性、管路沉积物生成原因及成分分析比较充分,但对于尿素SCR的储氨特性及影响氨泄漏因素的研究较少。

本文在柴油机台架试验台上对尿素SCR储氨量的空速特性和温度特性进行了全面研究,重点研究了空速、温度及储氨量等因素对氨泄漏规律的影响。

1 试验设备与方法

试验采用车用尿素溶液,参数如表1所示。试验所用发动机为满足国-Ⅳ排放标准的四缸柴油机,试验用燃油和柴油机具体参数如表2和表3所示。试验用SCR采用钒基催化剂,催化剂尺寸为Ф266mm×220mm,38μm(400目)。

台架试验系统如图1所示。试验用测功机为申克公司的HT350,采用AVL公司的AMA4000废气分析仪检测SCR前后NOx排放值,试验过程中氨泄漏采用法国环境公司FTUV进行检测。累计储氨量特性试验步骤如下:调节发动机工况,待工况稳定后,同时开始记录催化剂前后的NOx数据及FTUV的氨泄漏数据,并按催化剂前NOx数值计算出氨氮比为1.2的尿素溶液量,在开始记录数据第10s喷入氨氮比为1.2的尿素溶液,观察FTUV的氨泄漏达到15×10-6时立即停喷尿素,待SCR催化剂后NOx数值回升至催化剂前NOx数值的95%时,停止记录数据,得到逐秒的SCR催化剂前后NOx数据及氨泄漏量和尿素喷射量。在计算储氨量过程中,用尿素喷入的氨减去反应掉的氨及氨泄漏量,得到该工况逐秒的随时间增加的储氨量曲线,积分可以得到累计储氨量。

2 结果与讨论

2.1 储氨温度特性

固定20 000h-1空速,改变工况使得催化剂入口处温度依次为190、220、250、275、300、350、400℃,NOx转化效率随时间变化的变化情况见图2。

从图2可知,从开始喷射尿素到该工况下最大转化效率所用的时间随温度增加而减少,从190℃的844s降至400℃时的49s。在250℃以下,从喷射到最大转化率的时间均在2min以上,说明SCR反应速率随着温度升高而加快。

如图2所示,NOx最大转化效率随温度升高而增大。190、220℃下NOx转化效率仅25.8%和28.5%;250~400℃下NOx转化效率为55.9%~94.9%。

图3为不同温度下累积储氨量随时间变化的情况。由图3可见,随时间增加,每个工况下的催化剂储氨量先升高再下降,然后趋于平缓,达到该工况下的饱和储氨量。随催化剂入口处温度升高,曲线在后端达到饱和的累积储氨量呈下降趋势,各工况下饱和储氨量为1.23~8.56g。在190~250℃饱和累积储氨量较高,达到4.79~8.56g左右。达到饱和储氨量的时间随温度升高呈减小趋势,300℃以下达到饱和储氨量时间均在200s以上。而300℃以上时饱和储氨量较低,均在2g以下,并且随温度变化不大。在SCR实际工作过程中,累积储氨量对SCR系统的效率影响很大。例如在250℃以下时,不同的储氨量会使该温度下达到NOx最高转化效率的时间不一致,这一时间对SCR实际NOx转化效率影响显著。

2.2 储氨空速特性

固定催化剂入口温度为250℃,改变工况使得空速分别为10 000、15 000、20 000、25 000、30 000h-1时,得到随时间变化的NOx转化效率情况见图4。

从图4可知,从开始喷射尿素到该工况下最大转化效率所用时间随空速增加呈减少趋势,从223s降至46s。但是随空速增大,NOx转化效率呈下降趋势,从10 000h-1下的75.6%降至30 000h-1下的35.5%。这主要是由于空速较高时排气在催化剂表面停留时间较短,没有充分的时间进行NOx还原反应,因此NOx转化效率较低。

图5为不同空速下累积储氨量随时间的变化情况。如图5可见,各工况下催化剂储氨量随时间变化规律和图3类似。各工况下饱和储氨量为2.68~12.09g,随空速增大饱和储氨量呈下降趋势,从10 000h-1空速下的12.09g降至25 000、30 000h-1下的2.68g左右。达到饱和储氨量的时间随空速升高呈减小趋势。这是由于在相同时间内,空速越高流经催化剂表面的氨总量越大,氨在催化剂表面的吸附过程时间也较短,且高空速工况下催化剂饱和储氨量也更小,综上,空速越大的工况下达到饱和储氨量的时间更短。

实际应用中,SCR系统需要合理控制催化剂的储氨量。以图3和图5的储氨量温度特性和空速特性为例,若在低温工况下运行较长时间后短时间内转换为高温工况,则催化剂在该工况下的饱和储氨量会迅速下降,多余的氨从催化剂表面释放出来,若释放出来的氨与喷入排气中的氨的量之和大于此时所需的氨,就会导致氨泄漏;或在某较低空速工况下运行短时间内转换为高空速工况,也同样会由于饱和储氨量的下降而造成氨泄漏[6]。而如图3和图5中,在300℃以上和25 000h-1空速以上的工况,储氨量变化不大,若实际工况在该区域内变化则不易发生氨泄漏。

2.3 氨泄漏影响因素分析

图6为30 000h-1空速下不同氨氮比下NOx转化效率和氨泄漏量的温度特性。如图6可见氨氮比为0.6、0.8、1.0时NOx转化效率均随温度升高而升高,350℃以上转化效率增长缓慢,基本达到最高值,分别接近60%、80%和100%,而250℃以下转化效率较低,均在40%以下。随氨氮比增加,NOx转化效率呈升高趋势:在250℃以下由于低温效率低下,喷入再多还原剂也难以有效提升NOx转化效率,所以NOx转化率随氨氮化变化不明显;而在300℃以上升高趋势较明显,这是因为高温区域SCR催化剂活性较高,喷入的还原剂绝大部分可以参与还原反应,有效降低NOx排放。

不同氨氮比下随催化剂入口温度升高,氨泄漏量均呈先升高后降低的趋势。由图6中氨氮比为1.0的氨泄漏曲线可知:在200~250℃阶段,由于转化效率很低,大量喷入的还原剂无法消耗,多余的还原剂超过该工况的储氨量就会出现氨泄漏,这一温度段的氨泄漏量达到了200×10-6~248×10-6。200~250℃区间随温度升高储氨量下降明显(图3),但NOx转化效率未明显升高,下降的储氨量超过了升高的NOx转化效率所消耗的氨,造成这一阶段氨泄漏有小幅升高;在275~400℃储氨量差别不大,转化效率较高,多余的还原剂量较低,所以氨泄漏下降明显;350、400℃下由于储氨量和转化效率均差别不大,因此氨泄漏量也相当,均在25×10-6以下。氨氮比0.6和0.8的氨泄漏曲线规律也与1.0的类似,但由于喷入的还原剂量少,氨泄漏也相应降低,尤其是在300℃以下降幅较大。

图7为催化剂入口温度为275℃时,不同氨氮比下NOx转化效率和氨泄漏量的空速特性。

如图7可见,氨氮比为0.6、0.8、1.0时NOx转化效率均随空速增加而降低,但降幅不大,NOx转化效率在45.9%~72.3%范围内。随氨氮比增加,NOx转化效率呈升高趋势。不同氨氮比下氨泄漏量随空速的升高而升高。如图5所示,饱和储氨量随空速增加而降低,而随空速增加NOx转化效率也降低,造成更多的还原剂无法消耗,按相同的氨氮比进行喷射的话,这两者叠加造成氨泄漏量随空速增加而升高的趋势。随氨氮比增加氨泄漏升高。氨氮比为0.6时空速为15 000~20 000h-1阶段,FTUV未检测到氨泄漏,该阶段NOx转化效率较高,多余的还原剂量较低,并且储氨量也较高,说明该工况下的储氨量大于未参与还原反应的还原剂量。同样,氨氮比为0.8时空速为15 000~175 000h-1工况下也未检测到氨泄漏。

通过上述分析可知:不同工况下温度、空速、储氨量等因素均会影响NOx转化效率及氨泄漏量,因此在SCR系统标定过程中需要从多个角度考虑选择最合适的喷射量,既要尽可能提高NOx转化效率,又要避免氨泄漏造成二次污染。

3 结论

(1)SCR催化剂作用下,固定空速下,NOx最大转化效率随温度升高而增大,从尿素起喷到该工况最大转化效率所用时间随温度升高而减少;达到饱和储氨量的时间随温度升高呈减小趋势,各工况下饱和储氨量随温度升高呈下降趋势。

(2)固定SCR催化剂入口温度,NOx最大转化效率随空速增加而降低,从尿素起喷到该工况下最大转化效率所用时间随空速增加而减少,达到饱和储氨量的时间随空速增加呈减小趋势,各工况下饱和储氨量随空速增加呈下降趋势。

(3)固定空速条件下,随氨氮比增加,SCR催化器中NOx转化效率呈升高趋势,但在250℃以下升幅不明显,不同氨氮比下的氨泄漏量随催化剂入口温度的升高均呈先升高后降低的趋势。

(4)固定SCR催化剂入口温度条件下,不同氨氮比下的氨泄漏量随空速的增加而增加。在氨氮比为0.6和0.8时15 000~17 500h-1空速区间,未检测到氨泄漏。

参考文献

[1]姜磊,葛蕴珊,李璞,等.柴油机尿素SCR喷射特性的试验研究[J].内燃机工程,2010,31(4):30-34.JIANG L,GE Y S,LI P,et al.Experimental study on ureaSCR spray characteristics for diesel engine[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering,2010,31(4):30-34.

[2]姜磊,葛蕴珊,李璞,等.柴油机尿素SCR后处理系统排放特性试验研究[J].内燃机工程,2010,31(5):30-35.JIANG L,GE Y S,LI P,et al.Study on emission characteristics of urea-SCR aftertreatment system of diesel engine[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering,2010,31(5):30-35.

[3]HOWARD L F,DACOSTA H F M.Urea thermolysis and NOxreduction with and without SCR catalysts[J].Applied Catalysis B:Environmental,2003,46(1):17-34.

[4]ZHENG G Y,FILA A,KOTRBA A,et al.Investigation of urea deposits in urea SCR systems for medium and heavy duty trucks[C]//SAE Paper.[S.l.],2010,2010-01-1941.

[5]STROTS V O,SHYAM S,ADELMAN B J,et al.Deposit formation in urea-SCR systems[J].SAE International Journal of Fuels and Lubricants,2010,2(2):283-289.