球状活性炭担载-NH2化合物协同低温无氨脱硝行为研究

以煤为主的能源结构导致的氮氧化物污染严重制约了我国社会和经济的可持续发展。本项目拟用具有高强度和高比表面积的球状活性炭为基本载体，通过适当的孔结构调控和表面化学修饰后担载含-NH2化合物(如尿素、三聚氰胺等)，研究在30-100oC温度范围内，NOx在-NH2化合物/球状活性炭体系上的选择性催化还原脱除行为；探究NOx在球状活性炭微孔中通过共吸附的催化氧化转化成NO2的具体化学历程、NO2分子在微孔结构和表面化学协同作用下的分解过程，阐明吸附态的NO3在-NH2化合物/球状活性炭体系的协同效应下与处于激发态-NH2基进行催化还原脱硝过程；提出含-NH2化合物在微孔空间的活化机制、微孔空间及表面化学与含-NH2化合物的匹配原则、确立球状活性炭的微观物理化学结构与NOx转化行为的构效关系。本项目对实现低温无氨气的选择性催化还原脱硝具有重要的参考价值。

以NH3作为NOx还原剂的选择性催化还原(SCR)技术是目前应用最为广泛的脱硝技术。然而，该技术中用作还原剂的NH3具有很强的毒性和腐蚀性，给工业操作及存储造成困难；同时，由于废气中NOx浓度的波动会使脱硝过程中NH3的适宜加入量难以精确控制，容易引起由NH3 泄漏造成二次污染。针对以上问题，本课题提出将含尿素等含-NH2化合物担载于沥青基球状活性炭上形成催化剂系统，研究了其低温NOx选择性催化还原反应行为，实现了低温范围内高效且高选择性的NOx还原脱除。.研制出具有高强度(>90%)和高比表面积(1000-2000m2/g)的沥青基球状活性炭，实现了孔径和表面化学结构的可调控性。所制沥青基球状活性炭的强度95%，球形度97%，比表面积在1300-1500m2/g，孔径分布在1.5-3 nm，粒度分布在0.2-0.8 mm可调，表面化学结构可控。通过在球状活性炭表面上担载尿素实现了性能优异的选择性催化还原脱硝新技术，在较低温度范围(30-100℃)，对50-500ppm的宽浓度范围内NOx的总脱除率>90%。建立起球状活性炭物理化学结构与所担载尿素等含-NH2化合物的匹配原则和选择性催化还原脱硝的构效关系，解明尿素-NH2在球状炭表面的红移和活化机制。通过试验考察了尿素担载量、球状活性炭的孔道结构、反应温度、进料组成、空速等对脱硝反应的影响，并采用N2吸附、元素分析、傅立叶红外光谱等手段对脱硝反应的机制进行了深入研究。确定了反应的活性位、反应的速率控制步骤、反应级数和反应活化能等重要参数，为该脱硝技术的工业化提供了扎实的理论基础和放大依据。同时，我们对该脱硝技术在实验室小试的基础上进行了初步放大（放大200倍），发现放大后该脱硝技术仍然具有优良的脱硝效率。