[發(fā)明專利]基于離子交換分子篩的尿素SCR催化劑

有效

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• 申請日: 2014-10-27
• 公開（公告）號: CN104258899A
• 公開（公告）日: 2015-01-07
• 發(fā)明（設計）人: 華家本;李世寧;魏東;胡長青;胡俊
• 申請（專利權）人: 四川綿陽華元航升環(huán)保科技有限公司
• 主分類號: B01J29/46
• 分類號: B01J29/46;B01D53/94;B01D53/56
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技術領域

本發(fā)明涉及汽車尾氣處理的技術領域，具體涉及到一種基于離子交換分子篩的尿素SCR催化劑。

背景技術

機車排放的尾氣是大氣污染的主要污染源之一。中重型柴油車主要污染物為氮氧化物，其排放對生態(tài)環(huán)境和人類健康的傷害極其嚴重。燃燒廢氣中的氮氧化物通常是由燃料中的氮化物和空氣中的氮氣與氧氣在高溫下反應產生。以內燃機特別是柴油機和其它富氧燃燒發(fā)動機為例，廢氣中包含污染物一氧化碳(CO)，碳氫化合物(HC)，碳顆粒物和氮氧化物。在汽油發(fā)動機的情況下，空氣中的氧氣與燃料按化學比例混合燃燒，污染物中沒有碳顆粒物，可通過所謂三元催化劑(TWC)進行凈化。相比之下，柴油發(fā)動機是富氧燃燒，有高達10%到15%的氧氣在尾氣中。因為如此高的過剩氧氣，氮氧化物不能靠傳統(tǒng)的三元催化劑進行凈化。

為了減少柴油機氮氧化物排放，燃燒技術已經得到改造，如廢氣循環(huán)和電控噴油等技術己普遍采用。然而，單靠如此技術的減排效率不能達現今國家規(guī)定的排放標準。為了達到目前和將來愈為嚴格的排放標準，選擇性催化還原(SCR)技術正在被廣泛采用。該技術可將有害的氮氧化物催化還原成無害的氮氣和水。

目前催化劑工業(yè)生產中廣泛應用的方法是浸漬法，浸漬法又稱為“初步潤濕法”，是以浸漬為關鍵和特殊步驟制造催化劑的方法，目的是將足夠濃度的金屬鹽溶液填入固體的孔隙內，使其直接負載在載體上。浸漬法的一般過程是將活性組分(含助催化劑)以鹽溶液形態(tài)浸漬到多孔載體上，經一段時間浸漬平衡后使其滲透到載體內表面，然后干燥、焙燒、活化，從而形成高效催化劑。

制備催化劑的另一種方法是沉淀法，沉淀法是以沉淀操作作為關鍵和特殊步驟的催化劑制造方法，它被廣泛應用于制備高含量的非貴金屬、金屬氧化物、金屬鹽催化劑或催化劑載體。沉淀法包括溶解、沉淀、洗滌、干燥、焙燒等步驟，操作步驟簡單，活性組分的分散性和均勻性比較好，但是沉淀法的過程條件較復雜，難以準確控制，如體系、pH值、沉淀劑的選擇、加料方式、溶液濃度等，并且生產流程較長，消耗的酸、堿較多。影響沉淀形成的因素很復雜，所以制備催化劑的重復性較差。在實際工作中，必須根據催化劑性能、對結構的不同要求，選擇適當的沉淀條件和沉淀類型，以及適當的攪拌強度，同時要注意控制晶粒大小，以便得到預定結構和組分的沉淀物。

離子交換法就是利用離子交換反應作為催化劑制備主要工序的方法。離子交換反應發(fā)生在交換劑表面的交換基團上，一般是可逆的、溫和的過程。其原理是利用離子交換劑作為載體，以陽離子形式引入活性組分而制成一種高分散、大比表面積、均勻分布的金屬離子催化劑或負載型金屬催化劑。

離子交換技術是根據某些溶質能解離為陽離子或陰離子的特性，利用離子交換劑與不同離子結合力強弱的差異，將溶質暫時交換到離子交換劑上，然后用適合的洗脫劑將溶質離子洗脫下來，使溶質從原溶液中分離、濃縮或提純的操作技術。

由于分子篩載體的特殊結構，在離子交換的過程中，交換條件（溫度、時間、酸堿度等）、干燥條件、煅燒條件直接影響到活性組分在分子篩上的位置，從另一個角度來說，活性組分在催化劑的制備過程中不是穩(wěn)定存在的，而是在外界條件的影響下存在著擴散，這種擴散不僅會影響到活性組分的位置、分散情況，同樣會影響到反應物與活性表面的接觸空間，接觸面積等，這將會直接影響到催化劑的催化活性。

分子篩由于其特定的結構與性質，可以通過離子交換交換各種金屬離子，從而得到具有催化活性的金屬負載型分子篩，如鈀分子篩，鉑分子篩，銅分子篩，鐵分子篩等。與傳統(tǒng)的浸漬法相比，離子交換技術制備的分子篩負載型催化劑活性組分分散均勻，反應活性高。

SCR技術核心是使廢氣中的氮氧化物在高活性的催化劑上與一種還原劑發(fā)生反應主成氮氣和水。這種催化劑一般為涂敷在載體上的金屬氧化物。所用還原劑一般是氨或由尿素生成的氨(NH3)。從尿素中生成氨的化學過程涉及熱解和水解。這些過程要求在較高溫度和較長時間內完成。在廢氣溫度較低或者安裝空間限制的情況下，由于尿素的熱解和水解不完全而未能生成足夠的氨，致使凈化效率將會降低。現有的SCR催化劑的操作溫度區(qū)間較窄，即在高溫或低溫時活性降低。另外，由于種種發(fā)動機和催化劑的動態(tài)特性和原因，還原劑氨極有可能反應不完全而從出口端逸出，造成二次污染。