基于載錳沸石分子篩的臭氧催化劑分解效率裝置研究總結(jié)

一、研究背景與意義

- 臭氧作為重點(diǎn)防控的室內(nèi)氣態(tài)污染物，廣泛存在于工業(yè)水消毒、空氣滅菌凈化、室內(nèi)激光打印機(jī)、靜電除塵設(shè)備等生產(chǎn)生活場(chǎng)景，飛機(jī)飛行時(shí)新風(fēng)也會(huì)攜帶大量臭氧，危害健康且存在安全隱患，還會(huì)參與二次顆粒物形成促成霧霾。

- 世界衛(wèi)生組織規(guī)定室內(nèi)臭氧8小時(shí)平均體積分?jǐn)?shù)不能超過(guò)9*10^-8，因此亟需開發(fā)高效的臭氧凈化技術(shù)。

- 催化分解法因脫除效率高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)受青睞，其核心是催化活性材料，現(xiàn)有材料存在燃爆隱患、價(jià)格昂貴、易失活等問(wèn)題，而沸石分子篩具備吸附與催化分解特性，且穩(wěn)定性好、成本可控，值得研究。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（一）樣品制備

- 選用FAU、MFI、BETA三類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的USY、ZSM-5、Beta沸石原粉，以及Co、Mn兩種陽(yáng)離子的硝酸鹽溶液。

- 采用等體積浸漬法制備不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、金屬陽(yáng)離子負(fù)載的改性沸石分子篩，通過(guò)不同干燥方式（傳統(tǒng)烘箱160℃干燥1h或微波烘箱750W功率干燥90s）和煅燒（350℃煅燒3h）處理，得到不同樣品，并優(yōu)選出8%的錳質(zhì)量負(fù)載量。

- 將優(yōu)選催化劑原粉與助劑配成漿液，涂敷在載體上制成整體式蜂窩催化劑。

（二）樣品表征

- 使用X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡及能譜分析（EDS）、X射線光電子能譜（XPS）、BET比表面積測(cè)定、吡啶紅外（Py-IR）等手段對(duì)樣品進(jìn)行表征，分析其晶體結(jié)構(gòu)、元素分布、化學(xué)狀態(tài)、比表面積、孔徑分布及表面酸性等特性。

（三）催化性能測(cè)試

- 搭建由臭氧發(fā)生器、低溫恒溫槽、換熱器、反應(yīng)器、臭氧檢測(cè)儀等組成的測(cè)試裝置，通過(guò)公式E=(1?C/C₀)×100%計(jì)算臭氧脫除效率，在不同溫度、空速等條件下對(duì)粉末式和整體式蜂窩催化劑的臭氧凈化效率進(jìn)行測(cè)試。

臭氧凈化效率測(cè)試裝置流程示意圖

三、研究結(jié)果與討論

（一）基礎(chǔ)性能表征結(jié)果

- XRD圖譜顯示陽(yáng)離子改性未改變沸石晶體結(jié)構(gòu)，且金屬陽(yáng)離子均勻分布于孔道內(nèi)部。

- BET結(jié)果表明等體積浸漬法改性的樣品比表面積略低于原粉，而液相法制備的Mn-USY-YX比表面積大幅降低，可能因水合物堵塞孔道；USY系列主孔徑約0.74nm，大于Mn-Beta-DT（0.58nm）和Mn-ZSM-5-DT（0.55nm）。

（二）影響臭氧凈化性能的因素

- 金屬陽(yáng)離子：Mn-USY-DT的臭氧凈化效率在300h內(nèi)穩(wěn)定在100%，優(yōu)于Co-USY-DT和USY，表明Mn陽(yáng)離子更有利于催化分解臭氧。

- 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：FAU結(jié)構(gòu)的Mn-USY-DT性能最優(yōu)，能維持90%效率長(zhǎng)達(dá)40h，優(yōu)于Mn-Beta-DT和Mn-ZSM-5-DT，因其孔徑較大，利于臭氧吸附與催化分解。

- 制備方法：等體積浸漬法結(jié)合微波干燥的Mn-USY-DT/WB樣品性能優(yōu)于液相離子交換法和傳統(tǒng)干燥法制備的樣品，微波干燥可使Mn元素分布更均勻，避免聚集。

（三）催化機(jī)制

- 單位時(shí)間內(nèi)臭氧分子在沸石上的吸附與催化分解相互協(xié)調(diào)，決定穩(wěn)態(tài)催化分解，吸附與催化速率不平衡會(huì)導(dǎo)致效率下降或初始效率低。

- 臭氧吸附受孔徑和比表面積影響，孔徑接近臭氧分子直徑（0.52nm）利于吸附；催化分解受活性組分影響，Mn離子的存在提升催化性能。

（四）再生性能

- Mn-USY-DT/WB經(jīng)180℃加熱再生2h后，平均化合態(tài)（AOS）從2.95降至2.81，中間氧物種脫附，氧空位釋放，催化活性恢復(fù)，可循環(huán)利用，優(yōu)于商用\(MnO_2\)催化劑。

（五）整體式蜂窩催化劑性能

- 在25℃、50000h?1空速下，可通過(guò)低溫加熱再生；在170℃（飛機(jī)機(jī)艙工作溫度）、50000h?1空速下，能維持99%以上臭氧分解效率1000h以上，且機(jī)械強(qiáng)度穩(wěn)定。

四、結(jié)論

- 優(yōu)選出采用等體積浸漬與微波干燥組合方法制備的載錳USY改性沸石分子篩Mn-USY-DT/WB，其在高空速、低溫下能長(zhǎng)效催化分解臭氧，且可通過(guò)加熱再生，優(yōu)于商用MnO2。

- 將其制成整體式蜂窩催化劑，在實(shí)際應(yīng)用條件下性能優(yōu)異，為長(zhǎng)效低阻臭氧分解催化劑的開發(fā)提供新思路。

北京同林科技提供臭氧催化劑分解效率實(shí)驗(yàn)所用的全套臭氧設(shè)備，包括紫外臭氧發(fā)生器、流量計(jì)、臭氧反應(yīng)器、臭氧檢測(cè)儀、臭氧尾氣破壞器等。