[发明专利]一种脱硝铜基分子筛催化剂、制备方法及其用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种脱硝铜基分子筛催化剂、制备方法及其用途，具体涉及一种高水热稳定性柴油车尾气排放氮氧化物选择性还原铜基分子筛催化剂、制备方法及其用途，属于环保中氮氧化物还原催化剂制备技术领域。

背景技术

柴油机具有低油耗、高效率和良好的可靠性，在农业及交通运输业得到了极其广泛的应用。柴油机属于压缩点火式发动机，是通过把柴油高压喷入已压缩到很高温度的空气中，与高温空气混合形成可燃混合气，自动着火燃烧。因此油气混合不可能像汽油机那样均匀。尽管有过量空气，但局部温度仍然很高，所以排气中含有大量的排放颗粒(PM)和氮氧化物(NO_x)。传统的三效催化转化器只有在理论空燃比(A/F＝14.7)附近很小范围内才能充分发挥其效能。因此，对于富氧柴油机，有害排放物NO_x的还原比较困难。氮氧化物的排放量主要取决于燃烧温度、时间和空燃比等因素。从燃烧过程看，排放的氮氧化物95％以上可能是一氧化氮(NO)，其余少量的是二氧化氮(NO₂)。NO无色、无味、毒性不大，但浓度高时能导致神经中枢的瘫痪和痉挛。NO排入大气后会逐渐被氧化为NO₂。NO₂是一种红棕色呼吸道刺激性气体，气味阈值约为空气质量的1.5倍，毒性极强。由于NO₂在水中溶解度较低，不易为上呼吸道吸收而容易深入至下呼吸道和肺部，引发支气管炎、肺水肿等疾病。据统计，全世界每年氮氧化物的排放量在三千万吨以上。氮氧化物是破坏大气层、形成酸雨和光化学烟雾的主要元素之一，也是控制环境污染的研究热点。随近年车用柴油机数量不断增加，各国政府对车用柴油机的排放控制日益严格，仅凭机内处理技术已无法满足未来的排放法规要求，需要增加辅助排放措施。

降低NO_x排放的后处理技术就是对柴油机生成NO_x进行机外处理，减少排气中的NO_x含量。目前降低NO_x的各种后处理措施主要包括：低温等离子体技术，NO_x-PM催化转化技术和选择性催化还原技术(SCR)。其中，选择性催化还原(SCR)因处理效果稳定、适应范围广、工艺成熟，无疑是最有竞争力的后处理技术。催化剂是SCR技术的核心，它决定着SCR技术的脱硝效率。选择的催化剂应具有以下优点：高活性、高选择性、优良的抗水抗硫性能、好的机械强度和耐磨损性、较宽的活性温度区间、寿命长、成本低。

V₂O₅-WO₃/TiO₂和铜基分子筛催化剂是NH₃-SCR技术的代表性催化剂。直到现在，铜基分子筛催化剂由于其优良的低温脱除NO_x活性而仍然被认为是最有前景的NH₃-SCR催化剂之一。同时，该系列催化剂的温度操作窗口非常适合轻型柴油车尾气温度范围(150-350℃)。但是，铜基分子筛催化剂水热稳定性差是其商业化应用于柴油车后处理系统的主要障碍之一。

分子筛基催化剂失活的主要原因之一是其负载的金属活性物种在水热条件下容易聚集成金属氧化物颗粒，从而降低了催化剂的活性。Tanabe等人假设水热条件下先发生脱铝，接着是金属离子的迁移。另一方面，Makkee等人提出催化剂失活是由于金属物种从离子位上脱除，接着是沸石脱铝。无论先后顺序如何，水热条件下脱铝和金属离子的迁移都会发生。此外，Cu基沸石水热稳定差还归因于容易形成铜铝化合物。

到目前为止，虽然沸石基催化剂的水热稳定性是其应用于柴油车尾气处理亟需解决的问题，但鲜有报道关于此问题的解决方案。

发明内容

针对已有技术的问题，本发明的目的在于提供一种制备工艺简单、水热稳定性高且对柴油车尾气中氮氧化物有高效催化还原的催化剂及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种高水热稳定性铜基分子筛催化剂，所述催化剂由以离子交换法制备的铜基分子筛催化剂以及覆盖在其表面的二氧化硅薄膜组成。

本发明提供的高水热稳定性铜基分子筛催化剂，以离子交换法制备的铜基分子筛催化剂为基础，对其进行表面改性，使其表面覆盖二氧化硅薄膜，从而防止催化剂在水热老化过程中发生脱铝和金属离子迁移的现象，提高了铜基分子筛催化剂的水热稳定性，得到了高水性稳定性的铜基分子筛催化剂。