基于再生循环的锰氧化物SCR脱硝环境矿物学研究

NOx is thought as one of major factors leading to haze formation. The devolopment of novel deNOx materials has been intensively employed. Different types of manganese oxide minerals including synthesized ones are used as catalysts in selective catalytic reduction(SCR) of NOx by NH3 in this work. A combination of XRD、SEM、TEM、XPS、BET、TPD is characterized on these SCR catalysts. The SCR reactions are carried out in a fixed-bed continuous gas-solid reactor and the removal of NOx by manganese oxides are monitored by on-line flue gas analyzer, gas chromatography and infrared reflection. This work focus on correlation between mineral structure, crystal charactrization, crystal morphology, oxidation degree, crystallization, special surface area and SCR performances of manganese oxides. In addtion, the effects of temperature, reaction time, concentration of oxygen, water and SO2 on SCR performances of manganese oxides are investigated. SCR process, the regeneration as well as deactivation mechanism of manganese oxides are also discussed, combined with in-situ DRIFTS studies and XRD analysis. The results will eventually improve application of nano manganese oxide minerals in denitrifaction and play significant roles in environmental mineralogy and air pollution control.

烟气中NOx排放是造成雾霾的罪魁祸首之一，迫切需要加强烟气脱硝新材料和应用基础研究。本项目以锰氧化物矿物作为氨还原脱硝催化剂，利用XRD、SEM、TEM、XPS、BET、TPD等方法对不同来源的锰氧化物矿物、合成锰氧化物单一物相进行精细表征，利用气固相微反应催化评价装置、烟气分析仪及红外进行在线分析，重点研究不同种类的锰氧化物矿物脱硝性能，揭示矿物结构、晶体化学特性、晶体形貌、氧化度、结晶度、比表面积与脱硝性能的关系；揭示烟气温度、催化反应时间以及烟气含氧量、共存水量及SO2量对锰氧化物催化脱硝性能的影响规律；结合设定温度下脱硝反应过程中原位红外和XRD分析，探讨锰氧化物催化脱硝的反应过程及机理；阐明锰氧化物催化剂脱硝失效的主要原因、机制，并研究提出再生方法。为推动锰氧化物纳米矿物催化烟气脱硝应用奠定理论基础，成果对环境矿物学、大气污染控制等分支学科具有重要意义。

烟气中NOx排放是造成雾霾的罪魁祸首之一，而烟气脱硝在我国还处于起步阶段，相关技术和材料开发还缺少理论基础，相关应用基础研究就成为未来我国控制NOx排放的重大需求。本项目初期通过对天然锰矿石资源的考察和典型样品采集，研究不同来源的典型锰氧化物矿石的化学组成、矿物组成、微结构特征。完善以原位红外吸收在线检测的脱硝晶体化学特性、氧化度、结晶度、比表面积和孔结构与SCR脱硝性能内在联系。.随后合成包括不同结晶度和氧化度的软锰矿、锰钙矿、隐钾锰矿、水钠锰矿等，研究单一锰氧化物物相的SCR脱硝活性，原位红外吸收光谱、激光瞬态光谱、程序升温吸脱附分析，从结晶学和晶体化学角度认识锰氧化物矿物学特性与SCR脱硝活性内在联系。探讨锰氧化物矿物相催化脱硝反应和失效机理。.与此同时，我们结合气固相反应产物的XRD、TEM、XPS、锰价态化学分析、硫含量赋存状态分析结果，研究锰氧化物SCR脱硝失效时固体中的物相组成、四价锰还原成为二价锰的比率，建立不同SO2浓度下锰氧化物SCR脱硝与脱硫的耦合关系。在以上研究基础上，我们采用浸渍、共沉淀、水热法三种手段成功合成了铜锰复合氧化物及具有类水滑石结构的Cu-Mn-LDH等多种SCR催化剂并进行了性能评价。最后研究了不同SO2浓度下各类锰氧化物及锰基复合氧化物SCR脱硝再生机制问题。.目前本项目已发表相关SCI论文9篇；在国内核心期刊发表EI收录论文2篇；申请1项国家发明专利，培养硕士研究生4名。.本项目的研究不仅对纳米矿物催化材料的制备及工业化应用具有重要的理论与实际意义，也可为人类控制与消除大气环境中污染提供新思路，因而对大气污染控制、环境化学、大气化学、环境矿物学、纳米科学技术及材料化学等学科的交叉研究具有重要的借鉴意义。