离子液体用于钒钛基SCR催化剂中钒钨回收的研究

摘要

日益严重的大气污染和日趋严格的排放标准推动了烟气脱硝技术的快速实施，特别是氨选择性催化还原脱硝技术(简称NH3-SCR)。催化剂是SCR脱硝的关键，工业商用的催化剂大多数以锐钛型TiO2（钛白粉）为载体（通常占总质量的80-90％）、V2O5为主催化成分（约占1-2％）、WO3（或MoO3）为助催化成分（约占5-10％），称为钒钛系催化剂。钒钛系催化剂通常置于锅炉系统的除尘设施之前，操作温度400℃左右，由此导致催化剂容易遭受粉尘的冲刷及化学腐蚀，或因锅炉过热而导致活性组分晶粒长大甚至发生烧结，进而导致催化剂失活。失活催化剂再生后循环使用是重要方向，但我国每年废弃的失活催化剂达4万吨左右，其处理已成为企业和行业面临的重要问题，不仅涉及环保，而且事关资源有效利用。
　　现已开发的钒钨钛回收方法主要采用强碱高温焙烧法或低温浸渍法，能耗高、腐蚀严重、容易造成废水污染。为了克服这些问题，本文探索了离子液体用于废弃SCR催化剂中钒和钨的回收，主要工作及结论如下:
　　1、首先探索了离子液体的酸碱性和分子量大小对其溶解纯V2O5能力的影响，结果表明，相对分子量较小的酸性离子液体（如[Hnmp]HSO4）和碱性离子液体（[MEA]L、[TMG]L、N2222[L-Pro]和N2222[Sar]）均可溶解V2O5，而中性离子液体（[BMIM][BF4]、[BMIM][PF6]和[TMG][BF4]）和分子量较大的酸性离子液体(如[P(C6H13)3C3SO3H][Tf2N]）不能溶解V2O5。
　　2、[Hnmp]HSO4酸性离子液体和上述四种碱性离子液体溶解SCR催化剂中V2O5的实验结果表明，添加去离子水显著降低粘度、提高体系流动性，必不可少，固液比约100g/L水;碱性离子液体的碱性越强，钒的溶出率越高，但[Hnmp]HSO4酸性离子液体对钒的溶出率介于四种碱性离子液体中间，表明酸碱对V2O5的溶解机理不同;减小催化剂粒径和提高反应温度(45-120℃)，钒溶出率略有提高，30min时溶出率约31-55％，继续延长时间，溶出率变化较小;催化剂氧化后，30min时钒溶出率提高至65％，表明高价态钒易于溶出。
　　3、[Hnmp]HSO4酸性离子液体和上述四种碱性离子液体溶解SCR催化剂中WO3的实验结果表明，[Hnmp]HSO4对WO3的溶解能力弱于碱性离子液体，碱性越强，钨的溶出率越高，30min时溶出率约47-63％，继续延长时间，溶出率变化较小;催化剂氧化后，钨的溶出率降低。
　　4、借助51V-NMR和FT-IR，探究了离子液体溶解V2O5所得产物的形态，初步认识了溶解原理。结果表明，对于碱性离子液体，钒以[HnV10O28]n-6的形式与有机离子基团作用;对于酸性离子液体[Hnmp]HSO4，钒以[VO2]+或VO(O2)(OH2)3+的形式与有机离子基团相互作用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 氮氧化物(NOx)的控制

1．3 选择性催化还原(SCR)催化剂及其技术

1．4 废弃SCR催化剂的回收技术

1．4．1 废SCR催化剂的干湿结合法回收

1．4．2 废SCR催化剂的全湿法回收

1．4．3 废SCR催化剂回收研究现状

1．5 离子液体用于废弃SCR催化剂的回收研究

1．5．1 离子液体简介

1．5．2 离子液体的构成及类型

1．5．3 离子液体(RTILs)的应用进展

1．5．4 功能化离子液体(Task-specific ionic liquids)的概念及分类

1．5．5 功能化离子液体(TSILS)的应用

1．5．6 离子液体用于废弃SCR催化剂回收研究的理论依据

1．6 本论文的研究意义及主要内容

第二章 实验方法

2．1．2 实验所用试剂

2．1．3 实验所用仪器设备

2．1．4 实验装置及方法

2．2 分析与表征方法

2．2．1 X射线荧光光谱(XRF)分析

2．2．4 X射线光电子能谱(XPS)分析

2．2．5 51V核磁共振波谱法(NMR)分析

2．2．6 傅里叶红外光谱仪(FT-IR)

第三章 离子液体回收钒钛基SCR催化剂的重金属研究

3．1 引言

3．2 离子液体溶解V2O5的实验结果

3．3 离子液体溶解废SCR催化剂的实验结果

3．3．1 废SCR催化剂的表征结果

3．3．2 反应温度对钒钨溶出率的影响

3．3．3 反应时间对钒钨溶出率的影响

3．3．4 体系中的去离子水量对钒钨溶出率的影响

3．3．5 溶解次数对钒钨溶出率的影响

3．3．6 催化剂氧化对钒钨溶出率的影响

3．3．7 催化剂粒度对离子液体溶解钒钨效果的影响

3．4 本章小结

第四章 离子液体对废弃SCR催化剂中金属钒回收原理研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料、试剂及设备

4．2．2 实验方法

4．3 结果与讨论

4．3．2 与[MEA]L和[TMG]L的反应产物51V NMR分析

4．3．3 与N2222[Sar]和N2222[Pro]的反应产物51V NMR分析

4．3．4 与[Hnmp]HSO4的反应产物FT-IR分析

4．3．6 与[TGM]L的反应产物FT-IR分析

4．3．7 与N2222[Sar]的反应产物FT-IR分析

4．3．8 与N2222[Pro]的反应产物FT-IR分析

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 论文总结

5．2 本论文创新点

5．3 下一步工作建设与展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介