發(fā)布時間：2020-11-02 20:17

　　 潛艇和空間站等封閉空間發(fā)生火災(zāi)時,艙室內(nèi)容易累積大量有毒煙氣,需要對其進行快速消除。然而,當(dāng)前潛艇和空間站的空氣處理系統(tǒng)主要用于日常微量有毒氣體的凈化清除,難易滿足火災(zāi)情況下高濃度煙氣的清除需求。同時,目前潛艇和空間站的空氣處理策略仍是針對不同氣體采取不同的處理方法,導(dǎo)致系統(tǒng)體積大、能耗高、效率低等問題。無論是日常還是火災(zāi)緊急情況下,CO和CO2均是潛艇等封閉空間內(nèi)容易累積的兩種主要毒害性氣體。近年來,對于理想氣氛下CO催化和CO2吸收等單一組分氣體清除方法的研究已較為成熟,但是關(guān)于火災(zāi)復(fù)雜煙氣氣氛下毒害性氣體清除的相關(guān)研究較少,同時針對于火災(zāi)煙氣中多組分協(xié)同消除的研究還未見報道。因此,本論文旨在開展封閉空間火災(zāi)煙氣中CO和CO2聯(lián)合消除研究。研究擬通過CO催化劑和CO2吸收劑多組分耦合,得到適用于火災(zāi)煙氣中CO和CO2協(xié)同消除的耦合催化劑,并提出封閉空間火災(zāi)煙氣中多組分聯(lián)合消除的方法。本論文的主要研究工作和結(jié)論歸納如下:(1)低溫高活性一氧化碳催化劑制備和優(yōu)化研究。采用浸漬(IM)、沉積-沉淀(DP)、共沉淀A(CP)、共沉淀B(CC)和溶膠-凝膠(SG)方法制備Cu-Mn-Ce復(fù)合氧化物催化劑(CuMnCe),并進行性能測試和表征分析。結(jié)果表明,采用浸漬(IM)和沉積-沉淀(DP)法制得的負載型催化劑CO催化活性明顯優(yōu)于共沉淀A(CP)、共沉淀B(CC)和溶膠-凝膠(SG)法制得的非負載型催化劑,其中CuMnCe-IM表現(xiàn)出最佳的CO催化性能。負載型CuMnCe催化劑表面富集的CuO和MnOx物相有助于提高晶格氧和表面吸附氧的利用效率從而增強活性�？疾觳煌珻u/Mn元素比例的催化劑發(fā)現(xiàn),CuMnCe催化劑的活性明顯高于CuCe和MnCe催化劑,并且隨著Cu/Mn質(zhì)量比在1/0.2～1/9內(nèi)變化,CuMnCe催化劑活性高低呈單峰分布,當(dāng)質(zhì)量比為1/1時催化活性最優(yōu)�？疾祆褵郎囟�(160～400℃)的影響發(fā)現(xiàn),隨著溫度提高,催化劑前驅(qū)體分解形成孔隙結(jié)構(gòu),元素價態(tài)也隨之變化;與此同時,過高的溫度會導(dǎo)致CuMnCe顆粒燒結(jié)成塊。其中,320℃是較為理想的制備條件,可以獲得所需價態(tài)的金屬氧化物,且CuMnCe具備較大的比表面積和孔體積。(2)一氧化碳催化劑與二氧化碳吸收劑耦合制備研究。采用濕浸漬(WI)、固相浸漬A(SI-Ⅰ)、固相浸漬B(SI-Ⅱ)和濕/固相浸漬(WSI)方法將CuMnCe催化劑與3種CO2吸附劑KOH、LiOH和K2CO3分別進行耦合,并進行性能測試和表征分析。結(jié)果表明,3種耦合催化劑均能實現(xiàn)CO催化氧化和原位CO2吸收。耦合方法對其性能存在顯著影響,而吸附劑分散狀態(tài)是影響耦合樣品催化活性的關(guān)鍵因素。以KOH耦合為例,CuMnCe/KOH-WSI具有較大尺寸結(jié)晶的KOH物相,表現(xiàn)出優(yōu)異的CO/CO2清除性能,優(yōu)于分層布置的CuMnCe/KOH非耦合樣品。此外,通過WSI方法制備的3種吸收劑耦合催化劑均表現(xiàn)出較高的CO催化活性,而CO2吸附性能差異明顯,其中CuMnCe/LiOH表現(xiàn)出最優(yōu)的CO2吸附效率和容量,適用于潛艇等封閉空間火災(zāi)煙氣中CO和CO2清除。研究還發(fā)現(xiàn),通過催化劑和吸收劑耦合,可提高其催化活性和吸收效率,這是由于耦合催化劑中的吸附劑對于催化劑表面附著的CO2等雜質(zhì)氣體的競爭吸附從而誘發(fā)催化劑和吸收劑間的協(xié)同效應(yīng)導(dǎo)致的,即“吸附增強”效應(yīng),進一步將其歸納為吸附增強CO催化氧化概念。(3)雜質(zhì)氣氛下催化劑失活與改性措施研究。催化劑普遍存在H2O、SO2和NO2作用下失活的問題,而火災(zāi)煙氣中含有高濃度水汽等雜質(zhì)氣體。將耦合吸附劑作為催化劑改性措施,對CuMnCe催化劑和CuMnCe/LiOH、CuMnCe/KOH、CuMnCe/K2CO3耦合催化劑在H2O、SO2或NO2氣氛下進行性能測試,并開展表征分析。結(jié)果表明,水蒸氣會不同程度降低催化劑和3種耦合催化劑的CO催化活性。LiOH耦合一定程度上會抑制水汽的不利影響,而KOH會加劇其影響。同時,水汽可提高3種耦合催化劑的CO2吸附效率。此外,SO2在有、無水汽條件下均會降低樣品催化活性。在高濃度0.04%下,SO2甚至?xí)䦟?dǎo)致CuMnCe催化劑完全失效,而通過耦合LiOH或K2CO3吸附劑可以有效抑制SO2對催化劑的影響。與此同時,NO2也會對催化劑活性造成影響,但相比于SO2,其作用有限。(4)封閉空間耦合催化劑煙氣循環(huán)清除效果驗證研究。搭建縮尺封閉實驗艙系統(tǒng),對上述所得CuMnCe/LiOH耦合催化劑在封閉空間內(nèi)聚乙烯燃燒煙氣氣氛下的CO和CO2循環(huán)清除效果進行多工況測試。研究發(fā)現(xiàn),CuMnCe/LiOH耦合催化劑在聚乙烯燃燒產(chǎn)生的煙氣氣氛中保持高性能,對煙氣中的CO和CO2綜合清除效果良好。在基準(zhǔn)工況50.0g CuMnCe/LiOH和72.4g LiOH用量以及5 L/min的凈化流量下,樣品平均CO清除效率為96.4%,CO2清除效率為70.3%。進一步提高凈化流量,有利于提高清除反應(yīng)速率,縮短清除時間;而減少樣品用量則會同時降低清除效率以及單位質(zhì)量樣品的清除反應(yīng)速率。在基準(zhǔn)工況基礎(chǔ)上提升凈化流量至10 L/min時,樣品CO和CO2清除反應(yīng)速率最高,且平均CO清除效率可達98.1%,CO2清除效率可達46.6%。上述結(jié)果均驗證CuMnCe/LiOH耦合催化劑適用于潛艇等封閉空間火災(zāi)煙氣中CO和CO2聯(lián)合消除。最后,采用實驗數(shù)據(jù)對理論分析獲得的封閉空間循環(huán)清除過程中氣體濃度變化模型進行修正,修正后氣體濃度變化模型如下:
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：U674.76;V476
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 引言
    1.1 研究背景
    1.2 文獻綜述
        1.2.1 封閉空間內(nèi)空氣污染物及其清除技術(shù)
        1.2.2 一氧化碳催化氧化清除研究現(xiàn)狀
        1.2.3 二氧化碳化學(xué)吸附清除研究現(xiàn)狀
        1.2.4 研究現(xiàn)狀與不足
    1.3 研究目標(biāo)和內(nèi)容
    1.4 研究方法
    1.5 章節(jié)安排
第2章 實驗方法與測試系統(tǒng)
    2.1 引言
    2.2 實驗材料
    2.3 催化劑制備及耦合方法
x-CeO₂催化劑常制備'>        2.3.1 CuO-MnO_x-CeO₂催化劑常制備
2CO₃的耦合催化劑制備'>        2.3.2 添加LiOH/KOH/K₂CO₃的耦合催化劑制備
    2.4 性能測試系統(tǒng)及評價方法
        2.4.1 測試系統(tǒng)組成
        2.4.2 測試步驟
        2.4.3 評價方法
    2.5 催化劑表征
        2.5.1 X射線衍射
        2.5.2 X射線光電子能譜
2吸附與脫附'>        2.5.3 N₂吸附與脫附
        2.5.4 CO程序升溫脫附
        2.5.5 X射線熒光
        2.5.6 電感耦合等離子體發(fā)射光譜
        2.5.7 場發(fā)射掃描電鏡
        2.5.8 透射電鏡
    2.6 本章小結(jié)
第3章 低溫高活性一氧化碳催化劑制備和優(yōu)化研究
    3.1 引言
    3.2 制備方法對催化劑活性的影響
        3.2.1 樣品催化活性分析
2吸附脫附分析'>        3.2.2 FE-SEM和N₂吸附脫附分析
        3.2.3 X射線衍射分析
        3.2.4 X射線光電子能譜分析
        3.2.5 催化反應(yīng)機理
    3.3 制備條件對催化劑活性的影響
        3.3.1 煅燒溫度對催化劑活性的影響
        3.3.2 銅錳比例對催化劑活性的影響
        3.3.3 最優(yōu)性能催化劑表征分析
    3.4 本章小結(jié)
第4章 一氧化碳催化劑與二氧化碳吸收劑耦合制備研究
    4.1 引言
    4.2 耦合方法對耦合催化劑性能的影響
2清除性能'>        4.2.1 不同耦合方法制得樣品的CO和CO₂清除性能
        4.2.2 X射線衍射分析
2吸附脫附分析'>        4.2.3 N₂吸附脫附分析
        4.2.4 掃描電鏡分析
    4.3 吸收劑對耦合催化劑能的影響
        4.3.1 耦合LiOH對樣品性能的影響
2CO₃對樣品性能的影響'>        4.3.2 耦合K₂CO₃對樣品性能的影響
        4.3.3 耦合KOH對樣品性能的影響
        4.3.4 不同耦合催化劑的比較
    4.4 本章小結(jié)
第5章 雜質(zhì)氣氛下催化劑失活與改性措施研究
    5.1 引言
    5.2 水蒸氣對催化劑性能的影響
        5.2.1 水蒸氣對CuMnCe/KOH的影響
2CO₃的影響'>        5.2.2 水蒸氣對CuMnCe/K₂CO₃的影響
        5.2.3 水蒸氣對CuMnCe/LiOH的影響
        5.2.4 水蒸氣影響小結(jié)
    5.3 二氧化硫?qū)Υ呋瘎┬阅艿挠绊?br>        5.3.1 二氧化硫?qū)uMnCe/LiOH的影響
2CO₃的影響'>        5.3.2 二氧化硫?qū)uMnCe/K₂CO₃的影響
        5.3.3 二氧化硫影響小結(jié)
    5.4 二氧化氮對催化劑性能的影響
        5.4.1 二氧化氮對CuMnCe/LiOH的影響
2CO₃的影響'>        5.4.2 二氧化氮對CuMnCe/K₂CO₃的影響
        5.4.3 二氧化氮影響小結(jié)
    5.5 本章小結(jié)
第6章 封閉空間耦合催化劑煙氣循環(huán)清除效果驗證研究
    6.1 引言
    6.2 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范研究
        6.2.1 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范
        6.2.2 國外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范
        6.2.3 各國封閉空間毒害性氣體允許濃度對比
    6.3 封閉空間煙氣循環(huán)清除理論分析
        6.3.1 關(guān)于氣體濃度的動力學(xué)模型
        6.3.2 最低凈化流量要求
    6.4 封閉空間煙氣循環(huán)清除實驗驗證
        6.4.1 循環(huán)清除實驗設(shè)計
        6.4.2 耦合催化劑清除封閉空間火災(zāi)煙氣特性研究
        6.4.3 凈化流量對耦合催化劑性能的影響
        6.4.4 用量對耦合催化劑性能的影響
    6.5 封閉空間循環(huán)清除過程中氣體濃度變化模型修正
    6.6 本章小結(jié)
第7章 結(jié)論與展望
    7.1 全文總結(jié)和結(jié)論
    7.2 論文創(chuàng)新點
    7.3 研究展望
參考文獻
致謝
攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文
參與的科研項目與課題

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