鉀促進(jìn)的鎂鋁水滑石復(fù)合氧化物對(duì)碳煙顆粒物的催化燃燒.pdf

1、柴油機(jī)憑借良好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和耐久性等優(yōu)點(diǎn)在各種動(dòng)力裝置、船舶和車輛上得到日益廣泛的應(yīng)用，但其排放的污染物對(duì)環(huán)境和人類健康帶來(lái)了嚴(yán)重的危害。柴油機(jī)排放的主要污染物為碳煙和氮氧化物(NOx)，無(wú)法用傳統(tǒng)的汽油機(jī)三效催化劑來(lái)消除，發(fā)展有效的柴油機(jī)尾氣后處理控制技術(shù)迫在眉睫。 采用催化顆粒過(guò)濾器(CDPF)技術(shù)，降低燃燒溫度，是控制柴油機(jī)碳煙排放的根本有效措施之一。催化劑的研究開發(fā)成為該技術(shù)的核心，在眾多催化材料中，堿金屬鉀對(duì)催化

2、碳煙燃燒具有較高的活性，日益受到人們的廣泛關(guān)注；在催化劑載體中，具有層狀結(jié)構(gòu)的水滑石類材料性能優(yōu)異，焙燒后制備的復(fù)合氧化物具有比表面積大、活性元素分布均勻、穩(wěn)定性良好的優(yōu)點(diǎn)，可用作良好的催化劑載體。本文以水滑石復(fù)合氧化物為載體，制備了負(fù)載堿金屬鉀的催化劑，研究了材料的理化性質(zhì)，考察了碳煙和催化劑在松接觸和緊接觸兩種條件下的燃燒特性，獲得了具有良好碳煙燃燒性能的催化劑。 本文先采用XRD、粒度分析儀、氮?dú)馕摳胶蜔嶂胤治黾夹g(shù)研究

3、了碳煙顆粒的特征和燃燒特性。碳煙粒徑主要分布在0.1-0.8μm范圍內(nèi)，集中于0.155μm左右；比表面積為93.50m2/g，具有強(qiáng)吸附能力。在空氣氣氛下，升溫速率影響碳煙的燃燒行為：在升溫速率為5℃/min時(shí)，碳煙起燃溫度為527℃，而升溫速率為50℃/min時(shí)達(dá)到645℃，而其起燃溫度明顯高于柴油車尾氣的排放溫度。采用Ozwa法計(jì)算碳煙非催化燃燒的活化能為140.28kJ/mol。 采用共沉淀法合成了鎂鋁水滑石，X射線衍

4、射(XRD)與傅立葉紅外(FTIR)分析結(jié)果證實(shí)了其水滑石結(jié)構(gòu)，950℃焙燒后得到其復(fù)合氧化物。以碳酸鉀為前驅(qū)體，通過(guò)浸漬法負(fù)載了不等量的鉀，然后850℃焙燒得到一系列不同鉀含量的鎂鋁水滑石復(fù)合氧化物。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，850℃焙燒前樣品的晶相主要為Mg(OH)2、尖晶石MgAl2O4以及少量恢復(fù)的水滑石，只有在鉀負(fù)載量為15wt．％的樣品中可以觀察到明顯的K2CO3相；850℃焙燒后，所有樣品呈現(xiàn)以MgO型MgAlO和尖晶石型MgAl2O4為

5、主的晶相，鉀負(fù)載量為15wt．％的樣品中的仍有K2CO3相殘留。對(duì)焙燒后樣品進(jìn)行N2等溫吸脫附測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨鉀含量增大，樣品比表面積和孔體積明顯下降而平均孔徑增大。傅立葉紅外(FTIR)和二氧化碳程序升溫脫附(CO2-TPD)測(cè)試結(jié)果表明，鉀增進(jìn)了催化劑的堿性，從而促進(jìn)了CO2的吸附。 采用程序升溫氧化技術(shù)(TPO)測(cè)試了碳酸鉀負(fù)載鎂鋁水滑石催化碳煙燃燒的活性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鉀的負(fù)載明顯提高了催化劑的活性，這可能與鉀對(duì)催化劑堿性

6、的增強(qiáng)有關(guān)。當(dāng)鉀的負(fù)載量高于5wt.％時(shí)，鉀含量的增加對(duì)催化劑活性的改善并不明顯。對(duì)比催化劑在與碳煙不同接觸條件下(松散接觸和緊密接觸)的活性，發(fā)現(xiàn)鉀的負(fù)載明顯減弱了對(duì)接觸方式的敏感度，可歸因于鉀的負(fù)載導(dǎo)致的催化劑孔尺寸的增大?；钚匝芯窟€發(fā)現(xiàn)，含鉀催化劑中，碳煙燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的CO2在鉀位上發(fā)生吸附形成了羥基碳酸鋁鉀(KAl(CO3)(OH)2)以及其他類型碳酸鹽，這些碳酸鹽在高溫發(fā)生分解。含鉀催化劑在活性重復(fù)20次之后，起燃溫度僅提高

7、了28℃，表明含鉀的催化劑具有較高的壽命。作為比較，本文研究了醋酸鉀負(fù)載的鎂鋁水滑石復(fù)合氧化物。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以醋酸鉀為前驅(qū)體的含鉀催化劑的性質(zhì)和催化碳煙燃燒的行為同以碳酸鉀為前驅(qū)體的含鉀催化劑類似，但是前者的催化活性略低于后者，表明碳酸鉀更適合作為鉀的前驅(qū)體。 本文還研究了NOx的傅立葉變換紅外光譜定量分析技術(shù)。首先記錄了NOx氣體(包括N2O，NO2和NO)的標(biāo)準(zhǔn)譜圖，尋找其特征峰，根據(jù)其特征峰強(qiáng)度對(duì)測(cè)量氣體進(jìn)行定量分析。結(jié)果