脱硝纳米级多孔TiO2生产工艺和机理，tio2

2023-11-27 16:01:40 0 0

氮氧化物是我国污染物减排目标中新增的重要指标之一，降低氮氧化物排放的主要手段是脱硝催化剂。目前，选择性催化还原(ive catalytic reduction, SCR)方法中最常用的是催化剂为V2O5-WO3(MoO3)/TiO2系列。脱硝TiO2作为主要载体，TiO2的微观表面缺陷结构、掺杂的催化活性物质、杂质含量等对催化效果起着至关重要的作用。二氧化钛(TiO2)是纯物质，当对二氧化钛进行掺杂或表面处理后通常称为钛白粉。

脱硝钛白粉制备原理如下：

偏钛酸在加热到200℃时开始脱结合水，300℃左右达到快速脱水的效果。温度低的时候，偏钛酸是单个颗粒之间通过氢键相互作用，相互交联团聚在一起(见高分辨透射电镜)，温度升高，偏钛酸逐渐脱水并且长大形成长椭圆形TiO2颗粒。当加热煅烧温度超过300℃，长椭圆形颗粒相互烧结逐渐形成约50nm聚集二次颗粒。如果加入造孔剂，得到具有5～10nm孔的约50nm颗粒，造孔剂(碳酸铵、碳酸氢铵、尿素、氨水、有机表面活性剂等)不同孔大小不同，导致比表面积不同，颗粒的表面缺陷也不同，脱硝催化活性也不同。

当煅烧温度超过600℃，TiO2孔逐渐塌陷，随着温度升高孔也逐渐变小，同时比表面积逐渐减小。但是温度超过500℃，偏钛酸中的硫酸根也开始分解，温度越高其中硫含量越低。900℃开始晶型转化，由锐钛型转化成金红石型，1200℃晶型转化完全。

对于脱硝钛白粉中重要的一个指标是硫的含量要低于1%，脱硝催化剂中硫含量高会导致催化剂中毒，但脱硝钛白粉指标中还要求有一定限度的硫含量，脱硝钛白粉中如果有少量的硫，在做成催化剂时相当于形成了“硫抗体”，对脱硝气体中的硫氧化物有一定的抵抗能力，降低因硫氧化物导致的催化剂中毒。

偏钛酸浆料中含有的硫酸大部分是游离酸，通过水洗即可除去。但是占偏钛酸总量7%～8%的硫酸，以SO3的形式与偏钛酸结合得很牢固，由于偏钛酸形成的条件和夹带的杂质不同，它所含的硫酸要在500～800℃之间，才能分解成SO3和SO2气体而脱去。偏钛酸脱水和脱硫变化可表示如下：

1 实验

(1)采用硫酸法得到的偏钛酸制成260～300g/L的浓度(用密度计换算)，取1500mL偏钛酸浆料，加入25mL(根据换算公式)的浓H2SO4，搅拌均匀，加热到70～75℃，当温度升到70℃后加入25mL的60g/L的Ti3+溶液，在70℃保温2h，使铁充分被还原。加入Ti3+的目的是为了还原三价铁成二价铁，水洗的时候容易除去，因为在pH=3～4时，三价铁水洗的时候就发生水解，形成Fe(OH)3沉淀，沉积在偏钛酸颗粒间，煅烧时形成Fe2O3，残留在TiO2产品中。如果铁含量高，会使催化剂中毒，所以必须除杂质铁，通常铁的含量低于50×10-6。

(2)将经脱盐水洗涤合格的偏钛酸过滤，500g滤饼按照质量比1∶1左右加入脱盐水，用高速搅拌机在2000r/min速度下搅拌10min，然后加入浓氨水将浆料的pH从酸性调至6～7，反应1～2h，然后将偏钛酸浆料压榨，得到偏钛酸滤饼再进行加热煅烧。

(3)煅烧程序：将上述偏钛酸滤饼于200℃，300℃，400℃，500℃，600℃分别加热1h(或者不同时间)后，冷却，用小粉碎机研磨成粉末进行分析。

(4)分析表征：通过高分辨透射电镜(HTEM)，X-射线衍射仪(XRD)，比表面仪(BET)，测硫仪等对样品进行分析表征。

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氮氧化物是我国污染物减排目标中新增的重要指标之一，降低氮氧化物排放的主要手段是脱硝催化剂。目前，选择性催化还原(ive catalytic reduction, SCR)方法中最常用的是催化剂为V2O5-WO3(MoO3)/TiO2系列。脱硝TiO2作为主要载体，TiO2的微观表面缺陷结构、掺杂的催化活性物质、杂质含量等对催化效果起着至关重要的作用。二氧化钛(TiO2)是纯物质，当对二氧化钛进行掺杂或表面处理后通常称为钛白粉。

脱硝钛白粉制备原理如下：

偏钛酸在加热到200℃时开始脱结合水，300℃左右达到快速脱水的效果。温度低的时候，偏钛酸是单个颗粒之间通过氢键相互作用，相互交联团聚在一起(见高分辨透射电镜)，温度升高，偏钛酸逐渐脱水并且长大形成长椭圆形TiO2颗粒。当加热煅烧温度超过300℃，长椭圆形颗粒相互烧结逐渐形成约50nm聚集二次颗粒。如果加入造孔剂，得到具有5～10nm孔的约50nm颗粒，造孔剂(碳酸铵、碳酸氢铵、尿素、氨水、有机表面活性剂等)不同孔大小不同，导致比表面积不同，颗粒的表面缺陷也不同，脱硝催化活性也不同。

当煅烧温度超过600℃，TiO2孔逐渐塌陷，随着温度升高孔也逐渐变小，同时比表面积逐渐减小。但是温度超过500℃，偏钛酸中的硫酸根也开始分解，温度越高其中硫含量越低。900℃开始晶型转化，由锐钛型转化成金红石型，1200℃晶型转化完全。

对于脱硝钛白粉中重要的一个指标是硫的含量要低于1%，脱硝催化剂中硫含量高会导致催化剂中毒，但脱硝钛白粉指标中还要求有一定限度的硫含量，脱硝钛白粉中如果有少量的硫，在做成催化剂时相当于形成了“硫抗体”，对脱硝气体中的硫氧化物有一定的抵抗能力，降低因硫氧化物导致的催化剂中毒。

偏钛酸浆料中含有的硫酸大部分是游离酸，通过水洗即可除去。但是占偏钛酸总量7%～8%的硫酸，以SO3的形式与偏钛酸结合得很牢固，由于偏钛酸形成的条件和夹带的杂质不同，它所含的硫酸要在500～800℃之间，才能分解成SO3和SO2气体而脱去。偏钛酸脱水和脱硫变化可表示如下：

1 实验

(1)采用硫酸法得到的偏钛酸制成260～300g/L的浓度(用密度计换算)，取1500mL偏钛酸浆料，加入25mL(根据换算公式)的浓H2SO4，搅拌均匀，加热到70～75℃，当温度升到70℃后加入25mL的60g/L的Ti3+溶液，在70℃保温2h，使铁充分被还原。加入Ti3+的目的是为了还原三价铁成二价铁，水洗的时候容易除去，因为在pH=3～4时，三价铁水洗的时候就发生水解，形成Fe(OH)3沉淀，沉积在偏钛酸颗粒间，煅烧时形成Fe2O3，残留在TiO2产品中。如果铁含量高，会使催化剂中毒，所以必须除杂质铁，通常铁的含量低于50×10-6。

(2)将经脱盐水洗涤合格的偏钛酸过滤，500g滤饼按照质量比1∶1左右加入脱盐水，用高速搅拌机在2000r/min速度下搅拌10min，然后加入浓氨水将浆料的pH从酸性调至6～7，反应1～2h，然后将偏钛酸浆料压榨，得到偏钛酸滤饼再进行加热煅烧。

(3)煅烧程序：将上述偏钛酸滤饼于200℃，300℃，400℃，500℃，600℃分别加热1h(或者不同时间)后，冷却，用小粉碎机研磨成粉末进行分析。

(4)分析表征：通过高分辨透射电镜(HTEM)，X-射线衍射仪(XRD)，比表面仪(BET)，测硫仪等对样品进行分析表征。

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2 结果与讨论

2.1 烧结温度对比表面积的影响(BET分析)

根据上述实验步骤中(2)得到产物进行BET分析数据如表1，可以看出，煅烧温度越高，比表面积越小。当然同一个温度煅烧时间越长比表面积越小，所以给出的多次实验结果的统计范围，但是煅烧时间相对煅烧温度对比表面积的影响，煅烧温度的影响是主要的。

2.2 煅烧温度对颗粒结晶性的影响(XRD分析)

为了考察温度对二氧化钛微观结构的影响，将上述实验步骤中(2)得到的偏钛酸分别在300~600℃条件下烧结4h，对不同温度的样品进行XRD分析结果如图1。从图1可以看出，偏钛酸在300～600℃煅烧得到锐钛型二氧化钛，最下端是锐钛型二氧化钛卡片，煅烧温度越高，XRD中的峰越锐，说明二氧化钛的结晶度越好，表面的缺陷也越小，导致催化性能发生变化。

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2.3 氨水调节偏钛酸浆料pH对TiO2中S含量的影响(S分析仪)

因为偏钛酸通过氢键形成的聚合网络结构，粘度大，硫酸根也会和偏钛酸形成一定氢键结合作用，如果只用中性脱盐水洗涤偏钛酸，很难把夹杂偏钛酸溶胶中硫酸根洗下来，所以通过酸碱中和化学反应，才能够把硫酸根洗掉。使用浓氨水和夹杂在偏钛酸中的硫酸根反应，得到易溶于水的硫酸氢铵或者硫酸铵。硫酸氢铵加热约200℃时开始分解。

对于脱硫效果，除了用氨水等碱性溶液可以洗涤硫酸根以外，加入不同的碱性物质(碳铵、碳酸氢铵、尿素等)有不同的效果，脱硫效果和其它因素也有一定的关系。

比如，加入氨水反应时间越长脱硫效果越好，但是时间长氨水挥发也多;偏钛酸浓度越低，反应温度越高，搅拌越均匀等脱硫效果越好。按照上述实验步骤(2)中实验，将水洗合格的偏钛酸用氨水调节至不同的pH，然后搅拌1～2h，过滤得到的滤饼在550℃煅烧。实验得出的统计范围如表2。

2.4 温度对TiO2颗粒形貌的影响(TEM分析)

根据上述实验步骤(2)中得到的产物，进行BET分析实验数据如图2，取适量的粉末在乙醇中超声30 min，用玻璃毛细管吸取粉末和乙醇的均匀混合液，然后滴2~3滴该混合液体到微栅网上，微热30 min，使乙醇挥发完，在高分辨透射电镜上观察颗粒大小，孔大小和形貌。从图3可以看出：200 ℃以下得到5~10 nm偏钛酸颗粒，颗粒团聚严重;300 ℃，10 nm颗粒正在聚集形成50~100 nm的团簇或长椭球形颗粒;400 ℃，逐渐形成50~ 100 nm准颗粒;500 ℃，50 nm颗粒烧结形成的环;600 ℃以上，50 nm颗粒烧结形成环套环，孔逐渐开始塌陷。

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