低濃度甲烷催化燃燒Cu基催化劑的制備及其性能研究

【摘要】：我國煤炭資源儲(chǔ)量極為豐富,每年開采量也十分巨大。在煤炭開采過程中,為了減少因煤礦瓦斯而引起礦難的發(fā)生,向煤礦巷道中通入大量的空氣,將瓦斯稀釋后排入大氣。排入大氣的這部分甲烷數(shù)量巨大,不僅造成了資源的極大浪費(fèi),而且嚴(yán)重污染環(huán)境。因此研究如何合理有效利用低濃度甲烷具有重大意義。目前,低濃度甲烷利用的主要方式是將其進(jìn)行催化燃燒,以利用其放出的熱能。催化燃燒的關(guān)鍵在于尋找經(jīng)濟(jì)高效的催化劑,使甲烷在較低溫度下能夠完全轉(zhuǎn)化。 首先,以γ-Al2O3為載體,采用等體積浸漬法制備了一系列CuO/Al2O3催化劑,考察其低濃度甲烷催化燃燒活性,并通過比表面積測定、X射線衍射、H2程序升溫還原等分析手段對催化劑進(jìn)行表征。其次,以稀土金屬、過渡金屬以及堿金屬中的一種或兩種為助劑,對CuO/Al2O3催化劑進(jìn)行改性,并考察改性后催化劑甲烷催化燃燒活性,通過比表面積測定、X.射線衍射、H2程序升溫還原等分析手段對催化劑進(jìn)行表征。最后,考察了甲烷初始濃度、反應(yīng)空速、焙燒溫度等因素對催化活性的影響。 研究結(jié)果表明,CuO/Al2O3催化劑對于甲烷催化燃燒有較好的活性,低溫下催化活性隨負(fù)載量的增加先升高后降低,高溫下催化活性隨負(fù)載量的增加而降低,Cu負(fù)載量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為10%的催化劑10%CuO/Al2O3低溫活性最高。向催化劑10%CuO/Al2O3中加入單金屬助劑Ce、Fe、Mn,均能夠促進(jìn)CuO在載體表面的分散,提高催化劑10%CuO/Al2O3的高溫活性,但只有過渡金屬助劑Mn能夠顯著提高催化劑10%CuO/Al2O3的低溫活性。助劑La的加入能夠抑制高溫下載體的晶型轉(zhuǎn)變,提高催化劑的高溫穩(wěn)定性。堿金屬的加入促進(jìn)了CuO與載體的相互作用,不利于高分散態(tài)CuO的生成,使催化劑活性降低。Mn之間存在協(xié)同效應(yīng),將稀土金屬助劑La和過渡金屬助劑Mn同時(shí)加入催化劑10%CuO/Al2O3中,能夠顯著提高催化劑的活性。600℃焙燒條件下制備的催化劑10%Cu-4%Mn-2%La/Al2O3活性最高,甲烷起燃溫度可降低至430℃左右,完全轉(zhuǎn)化溫度在650℃以下。在催化劑10%Cu-4%Mn-2%La/Al2O3作用下,甲烷轉(zhuǎn)化率隨初始濃度和空速的增加而降低,并且高溫條件下,甲烷轉(zhuǎn)化率受濃度與空速的影響較小。 【關(guān)鍵詞】：低濃度甲烷 催化燃燒 銅基催化劑 助劑
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：O643.36
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 文獻(xiàn)綜述10-22
• 1.1 低濃度甲烷利用現(xiàn)狀10-11
• 1.2 催化燃燒11-15
• 1.2.1 催化燃燒的概念12
• 1.2.2 催化燃燒的特點(diǎn)12-13
• 1.2.3 甲烷催化燃燒機(jī)理13-15
• 1.3 甲烷催化燃燒催化劑15-21
• 1.3.1 貴金屬催化劑15-18
• 1.3.2 非貴金屬催化劑18-21
• 1.4 論文研究目的及內(nèi)容21-22
• 第二章 Cu基催化劑的制備及其在甲烷催化燃燒中的活性評價(jià)22-34
• 2.1 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備22
• 2.2 催化劑的制備22-24
• 2.3 催化劑活性評價(jià)24-26
• 2.3.1 催化反應(yīng)流程25
• 2.3.2 實(shí)驗(yàn)方法和步驟25-26
• 2.3.3 催化劑活性評價(jià)指標(biāo)26
• 2.4 催化劑表征26-27
• 2.5 結(jié)果與討論27-32
• 2.5.1 催化劑焙燒溫度的確定27-28
• 2.5.2 Cu負(fù)載量對催化劑活性的影響28-29
• 2.5.3 催化劑XRD分析29-31
• 2.5.4 催化劑H_2-TPR分析31-32
• 2.6 本章小結(jié)32-34
• 第三章 單金屬助劑對Cu基催化劑活性的影響34-56
• 3.1 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備34-35
• 3.2 催化劑的制備35
• 3.3 稀土金屬助劑對Cu基催化劑活性的影響35-43
• 3.3.1 助劑La對CuO/Al_2O_3催化劑活性的影響35-39
• 3.3.2 助劑Ce對CuO/Al_2O_3催化劑活性的影響39-43
• 3.4 過渡金屬助劑對CuO/Al_2O_3催化劑的影響43-54
• 3.4.1 添加不同過渡金屬助劑對催化劑活性的影響43-45
• 3.4.2 助劑Fe對CuO/Al_2O_3催化劑活性的影響45-50
• 3.4.3 助劑Mn對CuO/Al_2O_3催化劑活性的影響50-54
• 3.5 本章小結(jié)54-56
• 第四章 雙金屬助劑對Cu基催化劑活性的影響56-68
• 4.1 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備56-57
• 4.2 催化劑的制備57
• 4.3 助劑Fe-K/Na對CuO/Al_2O_3催化劑活性的影響57-60
• 4.3.1 催化劑甲烷催化燃燒活性評價(jià)57-58
• 4.3.2 催化劑XRD分析58-59
• 4.3.3 催化劑H2-TPR分析59-60
• 4.4 助劑Fe-La對CuO/Al_2O_3催化劑活性的影響60-63
• 4.4.1 催化劑甲烷催化燃燒活性評價(jià)60-61
• 4.4.2 催化劑XRD分析61-62
• 4.4.3 催化劑H2-TPR分析62-63
• 4.5 助劑Mn-La對CuO/Al_2O_3催化劑活性的影響63-66
• 4.5.1 催化劑甲烷催化燃燒活性評價(jià)63-64
• 4.5.2 催化劑XRD分析64-65
• 4.5.3 催化劑H2-TPR分析65-66
• 4.6 本章小結(jié)66-68
• 第五章 其他因素對催化劑活性的影響68-74
• 5.1 甲烷初始濃度對催化劑活性的影響68-69
• 5.2 反應(yīng)空速對催化劑活性的影響69-70
• 5.3 催化劑焙燒溫度對活性的影響70-73
• 5.3.1 焙燒溫度對催化劑活性的影響70-71
• 5.3.2 催化劑XRD分析71-72
• 5.3.3 催化劑H_2-TPR分析72-73
• 5.4 本章小結(jié)73-74
• 第六章 結(jié)論與展望74-78
• 6.1 結(jié)論74-76
• 6.2 不足與展望76-78
• 參考文獻(xiàn)78-84
• 致謝84-86
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文86

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