论文总字数：18956字

摘 要

工业带动经济又好又快发展的同时也带来了一系列环境问题，其中PM2.5、NO_x、SO_x等是工业尾气中的主要成分也是大气污染的成因。目前净化工业尾气的过程中，除尘和脱硝通常是独立的两个部分，使得尾气净化的过程较长，净化成本大大提高。膜分离技术是一种新颖的分离技术，其除尘效率高，能够截留更细的粉尘颗粒，且能耗更低。利用膜分离技术取代传统的袋式除尘器，并与催化剂耦合，则可实现除尘脱硝一体化，对大气污染的治理有着重要的意义。本文以净化工业尾气中的NO_x为目标制备催化膜，Cu-SAPO-34分子筛作为NO_x选择性催化还原(NO-SCR)的活性组分。首先采用一步法合成Cu-SAPO-34分子筛前体溶液，然后通过水热生长法将Cu-SAPO-34分子筛负载到管式碳化硅支撑体中得到Cu-SAPO-34@SiC催化膜。调节Cu-SAPO-34分子筛中Cu的摩尔含量(0.1，0.2，0.3 mol/L)来考察Cu含量对NO-SCR的影响，发现当Cu的摩尔量为0.2时性能最优，Cu-SAPO-34@SiC催化膜在150~170°C下对NO的转化率可达100 %，且能在110~230 °C温度范围内维持90 %以上的转化率。

关键词：脱硝 NO-SCR 催化膜 Cu-SAPO-34

Preparation of Cu-SAPO-34@SiC catalytic membrane and evaluation of NO_x removal performance

Abstract

Industry has driven the economy to develop well and stably, but it has also brought about a series of environmental problems. PM2.5, NO_x, SO_x, existed in industrial exhaust，are the main components of air pollution which is also the cause of air pollution. Conventional methods to deal with this were using different units to separately reject dust and degrade NO_x which making the process longer and costly. Membrane separation, with excellent dust removal efficiency, is a novel separation technology that can trap finer dust particles and consume less energy. Replacing the bag filter with membrane followed by coupling with the catalyst can realize the simultaneous removal of particles and NO_x, which is of great significance. In this paper, catalytic membrane with Cu-SAPO-34 as catalytically active component was successfully fabricated for the purpose of simultaneously remove particles and NO_x existed in industrial exhaust gas. The Cu-SAPO-34 molecular sieve solution was first prepared by one-step method and then hydrothermal synthesis with SiC membrane at 220°C for 30h. The effect of copper content on NO-SCR was investigated by adjusting the molar content of copper (0.1, 0.2, 0.3 mol/L) in Cu-SAPO-34 zeolite. It was found that the optimal NO-SCR performance was achieved with the copper molar content of 0.2. Under this circumstance, the conversion rate of NO can reach to 100% at 150-170 C and maintained over 90% during the temperature range of 110-230°C.

Keywords: NO_x removal; NO-SCR; catalytic membrane; Cu-SAPO-34

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 文献综述 1

1.1前言 1

1.2大气污染现状及治理方法 1

1.2.1大气污染现状 1

1.2.2工业尾气的处理技术 2

1.3催化膜简介及研究现状 3

1.3.1催化膜介绍 3

1.3.2催化膜的研究现状 4

1.3.3催化膜制备条件 5

1.4支撑体材料的选择 5

1.4.1多孔金属过滤材料 5

1.4.2多孔陶瓷过滤材料 6

1.5脱硝催化剂的研究进展 6

1.6本文研究目的及方法 7

第二章 实验部分 9

2.1实验试剂及仪器 9

2.1.1实验试剂 9

2.1.2实验仪器 9

2.2 Cu-SAPO-34催化剂的制备 10

2.3催化膜的制备 10

2.3.1碳化硅支撑体制备 10

2.3.2碳化硅支撑体预处理 10

2.3.3催化剂负载 10

2.4催化膜选择性催化还原降解NOx 10

2.4.1实验装置 10

2.4.2实验操作方法 11

2.5催化膜的分析与表征 11

第三章 结果与表征 12

3.1催化剂的表征 12

3.2催化剂负载情况分析 14

3.3催化膜性能评价 16

第四章 结论与展望 18

4.1实验结论 18

4.2展望 18

参考文献 19

致谢 22

第一章 文献综述

1.1前言

近年来，随着科学技术的发展和人们生活水平的不断提高，人们越来越重视环境的发展状况。自十三五以来，党和国家提出要打赢蓝天保卫战，因此迫切需要治理大气污染问题的有效措施。大气污染主要来源于工业尾气、汽车尾气以及生活废气，其中工业尾气排放是造成大气污染的主要原因之一。常见的大气污染物主要包括固体颗粒物、NO_x和VOCs等，NO_x与VOCs等污染物连续反应导致大气氧化性增强，经过一系列反应，进一步加剧空气污染状况，最终导致雾霾天气。随着工业尾气中的固体颗粒物、氮氧化物(NO_x)、硫氧化物(SO_x)和挥发性有机化合物(VOCs)等污染物排放指标的日趋严格^[1][2]，迫切需要开发出对工业尾气中污染物的高效治理技术。工业尾气净化通常包括固体污染物的脱除和气体污染物的治理。除尘是尾气净化的基础，工业尾气除尘主要采用静电除尘、湿法除尘、袋式除尘、旋风除尘、膜过滤等方法。袋式除尘通常采用的“深层过滤”模式存在压降较大、清灰频繁、孔道易堵塞等弊端，膜过滤技术采用“表面过滤”拦截固体颗粒，可通过反吹对膜表面进行清洗，有效地避免了这些弊端，同时其操作便捷、除尘效率高、使用寿命长等优势，因此被认为是极具发展前景的除尘技术^[3]。工业尾气中的NO_x等一次污染源会对人体健康直接造成危害，而且NO_x也会对植物等造成不可逆转的危害，因此氮氧化物的治理也成为环境治理工作中十分重要的一步。目前工业上普遍应用的脱硝技术是选择性催化还原(SCR)法^[4]，SCR法是在一定温度、条件下，向含有较多NO_x的烟气中加入还原剂，在催化剂的作用下与NO_x发生一系列复杂的化学反应从而生成N₂和H₂O等清洁气体排出，实现脱除NO_x的目的^[5]。将膜分离技术与催化剂耦合制备所得的催化膜，可同时实验粉尘和氮氧化物的协同脱除，对大气污染治理有着重要的实际价值。

1.2大气污染现状及治理方法

1.2.1大气污染现状

目前我国大气污染情况较为严重，大气环境中的固体颗粒物和气态污染物的浓度较高。随着近年来工业化的迅猛发展，工业尾气的排放迅速升高，大气中NO_x的含量逐年升高；除此之外，空气污染越严重，给有害病毒提供了生存环境，同时也会造成酸雨、雾霾等环境问题，对人的皮肤和呼吸系统造成严重的危害^[6]。根据2018年大气环境气象公报表明，在工业较为发达的京津冀地区较往年偏差，不利于缓解大气污染问题。常见的大气污染物可分为固体颗粒物和气态污染物两种，气态污染物包括碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NO_x)、硫氧化物(SO_x)、有机挥发性污染物(VOCs)^[7]等，其中NO_x又是造成雾霾和光化学烟雾的主要诱因之一。在空气中氮氧化物转化为硝酸盐，造成酸雨，硝酸盐进入地表或者地下水系，对地下水体造成污染，与此同时，硝酸盐也会对建筑造成腐蚀作用；对于植物来说，氮氧化物通过植物的气孔进入叶脉，阻碍植物进行光合作用，最终导致植物死亡；对于动物和人类来说，氮氧化物有一定的毒性，氮氧化物能侵入肺部细支气管和肺泡，使人和动物对于呼吸疾病的免疫能力降低，同时也会和人体内的血红素结合，是体内血细胞携氧能力降低，导致缺氧等疾病，从而对人体的心脏等器官造成不可逆转的危害^[8]。如今，随着生活水平的不断提高，工业化进程的加快，带来了更多的尾气排放，因此迫切需要对工业尾气进行进一步处理，改善人类的生存环境。

1.2.2工业尾气的处理技术

工业尾气由很多种有毒化学成分组成，同时还有可吸入颗粒物。工业尾气的处理通常包括除尘和脱除有毒气体两个部分，传统的除尘方法有袋式除尘、静电除尘、旋风除尘、颗粒床除尘等，然而传统方法存在能耗高，除尘效率低的特点，因此选择硬度高、机械强度大、除尘效率高、使用寿命长的陶瓷膜作为除尘的最佳材料。脱除有毒气体也是工业尾气净化的重要部分，其中脱硝工艺通常分为选择性催化还原法、选择性非催化还原法、吸附法、吸收法^[9]等。

(1)选择性催化还原法(SCR)

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