【摘要】：電廠排放的氮氧化物可引起光化學煙霧、酸雨、臭氧空洞和溫室效應等環(huán)境問題。目前,氨選擇性催化還原NO_x(NH_3-SCR)被認為是脫除燃煤電廠煙氣中NO_x的一種高效、高選擇性的煙氣脫硝技術。到目前為止,V_2O_5-WO_3/TiO_2和V_2O_5-MoO_3/TiO_2是燃煤電廠商業(yè)應用的SCR催化劑。然而,V_2O_5基催化劑存在著一些缺點,比如V_2O_5有毒性、溫度窗口窄以及在高溫時形成N_2O。本文針對目前SCR催化劑存在的不足,制備了低溫尖晶石NH_3-SCR催化劑,并采用密度泛函理論探討了相關微觀反應機理。采用低溫溶膠-凝膠自燃燒合成法制備了一系列Cu_xFe_(3-x)O_4和CuMnFeO_4尖晶石催化劑,通過SEM表征分析方法研究了催化劑的物理化學性質(zhì)。在固定床反應器中研究了Cu_xFe_(3-x)O_4尖晶石和CuMnFeO_4尖晶石催化劑的脫硝性能,建立催化劑表面的動力學模型,計算NO_x催化反應的動力學參數(shù)。通過改變催化劑表面的煙氣流速探究催化劑脫硝的控制機制。結果表明Cu_xFe_(3-x)O_4催化劑的顆粒相對較小,而且隨著Cu摩爾比例增大,Cu_xFe_(3-x)O_4催化劑的顆粒尺寸越來越大。隨著Cu摩爾比例的繼續(xù)增大,催化劑納米顆粒出現(xiàn)團聚現(xiàn)象。CuMnFeO_4催化劑表面的Cu、Mn和Fe原子以混合價態(tài)(Cu~+、Cu~(2+)、Fe~(2+)和Fe~(3+))的形式存在。CuMnFeO_4催化劑在160~300℃的溫度窗口內(nèi)表現(xiàn)出良好的脫硝性能�？刂茩C制研究表明,當煙氣表面流速小于21.1cm/s時,催化劑的脫硝效率受到質(zhì)量擴散過程的控制;當煙氣流速大于21.1 cm/s時,催化劑的脫硝效率受到催化劑表面反應動力學的控制。CuMnFeO_4催化劑具有一定的抗SO_2和H_2O中毒的能力。采用密度泛函理論計算研究了CuMnFeO_4尖晶石催化劑表面上的化學反應機理。根據(jù)催化劑表面的吸附能、電子結構分析,揭示CuMnFeO_4催化劑表面上NH_3的吸附活性位,闡明NH_3與催化劑表面活性原子的相互作用機制,并解釋CuMnFeO_4催化劑表面上NO_x的催化反應機理。結果表明NO在CuMnFeO_4催化劑表面的最大吸附能為139.86 kJ/mol,而NH_3在催化劑表面的最大吸附能為115.31 kJ/mol;NO和NH_3等反應物都是吸附在催化劑表面的Fe吸附活性位上,N_2等產(chǎn)物也是吸附在Fe吸附位點。在N_2的形成過程中,NH_3首先脫除一個H原子,余下的NH_2再次脫除一個H原子,這個H原子與吸附在催化劑表面的NO分子反應生成HNO官能團;然后HNO官能團進一步變?yōu)镹OH官能團,與NH分子反應,最終生成N_2和H_2O。采用密度泛函理論計算研究了MnFe_2O_4尖晶石表面上NO_x的吸附與還原反應機理。根據(jù)吸附能、Milliken電荷、分子軌道與電子結構分析,揭示MnFe_2O_4尖晶石表面上NH_3的吸附活性位,闡明NH_3與催化劑表面活性原子的相互作用機制,解釋MnFe_2O_4尖晶石表面上NO_x的催化還原機理,探究MnFe_2O_4尖晶石表面上NO_x的反應路徑以及活化能壘。計算結果表明,MnFe_2O_4催化劑優(yōu)秀的N_2選擇性與N_2O形成時較高的活化能壘緊密相關。其中N_2O的形成路徑包括:NO*+NO*→N_2O_2*+*→N_2O*+O*和N*+NO*→N_2O*+*。第一條反應路徑中形成N_2O分子,有著318.67kJ/mol的活化能和70.25 kJ/mol的反應熱;而第二條反應路徑形成N_2O的活化能壘為56.78 kJ/mol,反應熱為-57.30 kJ/mol。NO_2的形成路徑主要是NO的氧化反應(NO*+O*→NO_2*+*),這個反應的活化能壘為111.51 kJ/mol,反應熱為69.67 kJ/mol。在MnFe_2O_4催化劑表面,NO與NH_3發(fā)生還原反應的主要反應路徑是一個三步化學反應過程:NH_3*+*→NH_2*+H*、NH_2*+NO*→NH_2NO*+*和NH_2NO*+*→N_2*+H_2O*。NH_3*+*→NH_2*+H*是N_2形成的速控步驟。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：X773;TQ426

【參考文獻】

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2 戎麗;童華;徐仲均;;尖晶石型MnCo_2O_4催化劑的制備及SCR性能研究[J];環(huán)境科學與技術;2009年08期

3 徐香蘭;陳文凱;王霞;陸春海;李奕;;密度泛函理論研究NO在CuCr_2O_4(100)表面的吸附[J];無機化學學報;2007年08期

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5 劉堅,趙震,徐春明,王虹,段愛軍;Mn_(1-x)(Li,Ti)_xCo_2O_4尖晶石型復合氧化物的制備、表征與催化性能[J];無機化學學報;2005年09期

6 祝天熙;硝酸尾氣治理方法探討[J];陜西化工;1997年03期

7 李曉東,楊卓如;國外氮氧化物氣體治理的研究進展[J];環(huán)境工程;1996年02期

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本文編號：2630087