渗氮和热处理对炭还原NO的活性影响及机理研究

NOx不仅是大气污染物的主要成分,而且会造成二次污染,已成为当前大气污染防治的主要对象。我国NOx的工业源排放情况十分严重,这些排放源常集中分布在城市或者工业密集区域,其排放口低,NOx浓度很高,其危害性和潜在危害性大,因此,工业高浓NOx废气的治理具有重要意义。 目前用于治理工业高浓NOx废气的技术各有优势,但也存在明显的不足,高效、经济的NOx治理技术的开发已成为该领域的研究热点。活性炭在适宜的反应条件下可表现出良好的脱硝性能,与气态还原组分相比,其来源丰富、成本低廉、不会产生二次污染,在工业高浓NOx废气治理领域有良好的应用前景。由于该过程是一个气-固相反应,所以活性炭的表面化学性质对NOx的还原有重要影响,但有关此方面的研究较缺乏,还需要进行更多基础研究,为此工艺的工业化应用莫定基础。 本论文通过渗氮和热处理对活性炭和载铁活性炭进行了改性,借助元素分析、XRD、XPS、TPD-MS和TGA等手段,研究了渗氮和热处理对活性炭表面物化性质的影响规律,同时通过TPR和ISOR实验,考察了改性活性炭反应活性和选择性,并关联表征分析,探讨了渗氮和热处理对活性炭还原NO反应的影响机理及动力学。结果表明: 1、渗氮和热处理对活性炭表面化学性质的影响明显。当活性炭经氨气热处理1～4h后,表面氧含量显著降低,同时表面形成稳定的含氮官能团,而热处理主要降低了其表面氧含量。 2、氨气热处理渗氮的活性中心是炭表面的C-OH基团,渗入的氮原子大多位于石墨层结构的边缘,主要以N-5和N-6形态存在。Fe2O3的存在提高了活性炭的渗氮效果,C=O基团是载铁活性炭的渗氮活性中心。 3、在有氧条件下,活性炭的渗氮处理将其起始反应温度降低了约200℃,同时提高了活性炭的低温反应活性和选择性。表面含氮官能团可能作为催化活性中心促进了活性中间产物NO2的生成,其可以提高活性炭的低温反应活性。与活性炭相比,渗氮活性炭还原NO反应的表观活化能降低了60-80%。 4、在有氧条件下,渗氮的载铁活性炭表现出优异的反应活性,其在500℃的NOx转化率超过40%,这归因于活性炭表面Fe2O3和含氮官能团对C-NO反应的协同促进作用。渗氮后,载铁活性炭的反应选择性提高了40～60%,表观活化能降低了30-60%。 5、在无氧条件下,活性炭热处理降低了其还原NO的反应活性,且其反应活性随着热处理程度的加深而降低,这与炭表面C-OH数量的减少有直接关系,C-OH在C-NO反应中扮演了重要角色。在有氧条件下,热处理对活性炭反应活性的影响可以忽略。