一種超聲波輔助制備超低濃度甲烷燃燒催化劑及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超聲波輔助制備超低濃度甲烷燃燒催化劑，催化劑以γ-Al2O3-MgO為載體，載體表面負(fù)載活性成分CuO，活性成分CuO中Cu占催化劑的質(zhì)量比為5％～10％，與普通浸漬法制備催化劑的不同之處是在活性組分的負(fù)載過程中引入超聲波技術(shù)，超聲波功率為90～300W，頻率為20～25KHZ，時間為10～30min效果最佳；同時，本發(fā)明還公開了一種超聲波輔助制備超低濃度甲烷燃燒催化劑的制備方法。利用超聲波的能量促使活性組分CuO在結(jié)構(gòu)上和功能上得到改性和優(yōu)化。本發(fā)明的優(yōu)點是催化劑制備工藝簡單，制備周期短，經(jīng)過超聲改性的催化劑在催化燃燒超低濃度甲烷時，能夠有效提高催化劑的催化活性和穩(wěn)定性。
【專利說明】一種超聲波輔助制備超低濃度甲烷燃燒催化劑及制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于超低濃度甲烷催化燃燒的高效催化劑的制備方法，屬于催化 燃燒和高效催化劑制備【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 在煤炭生產(chǎn)等過程中會產(chǎn)生大量的低濃度甲烷（如煤礦乏風(fēng)），其濃度甚至低于 1 %，它不能直接點燃，排放到大氣中會造成資源浪費(fèi)和溫室效應(yīng)。目前主要采用催化燃燒 的方式加以利用。適合于超低濃度甲烷催化燃燒的催化劑應(yīng)具備催化活性高、耐高溫、抗燒 結(jié)和穩(wěn)定性強(qiáng)等特點。
[0003] 貴金屬催化劑（Pt、Au和Rh等）以其催化活性高，選擇性好等優(yōu)點得到了較廣泛 的利用，但是貴金屬資源稀少，價格昂貴，不利于大規(guī)模工業(yè)化推廣。過渡金屬（銅、錳、鈷 等）為主要活性組分的催化劑以其低廉的價格逐漸受到研究者的關(guān)注，但是過渡金屬催化 劑存在低溫催化活性不強(qiáng)，催化效率不高，催化穩(wěn)定性不夠好等缺點。
[0004] 超聲波在化學(xué)中已被應(yīng)用于催化反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、加成縮聚反應(yīng)和水解反應(yīng) 等。超聲化學(xué)方法能夠使很多以往不能進(jìn)行或難以進(jìn)行的反應(yīng)得以順利進(jìn)行。超聲波的 空化作用，使液體中微觀氣泡發(fā)生成核、震蕩、擴(kuò)大、收縮、坍塌一系列過程，空化氣泡在坍 塌的瞬間在其周圍的極小空間產(chǎn)生5000K以上的高溫和5X IO4KPa的高壓，溫度變化率達(dá) IO9K 并產(chǎn)生高速的微射流和強(qiáng)烈的沖擊波，這種極端高壓、高溫、高速射流的微環(huán)境有 足夠的能量改變催化劑的催化性能。
[0005] 中國專利CN103191733A開發(fā)了一種以Al2O3為載體，以貴金屬Pd為主要催化活性 成分，以貴金屬Pt、Ru、Ir等作為催化劑助劑，此種催化劑在催化燃燒礦井乏氣中達(dá)到了較 好的催化效果和催化穩(wěn)定性，但制備工藝相對復(fù)雜，價格相對昂貴。
[0006] 中國專利CN103121979A公開了一種超聲波輔助含鈷催化劑催化烯烴與空氣環(huán)氧 化方法。利用超聲波輔助處理催化劑，將金屬鈷負(fù)載到分子篩或氧化物載體上，在較為溫和 的環(huán)境下提高了原料轉(zhuǎn)化率和目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性。專利CN102671698A公開了一種超聲波 制備乙炔氣相合成醋酸乙烯催化劑的方法。超聲波技術(shù)的引入，促使活性炭負(fù)載醋酸鋅催 化劑在結(jié)構(gòu)上和功能上得到優(yōu)化，催化劑活性組分分散均勻，活性較高。
[0007] 過渡金屬催化劑Cu、Mn、Co價格低廉，催化活性較好，但采用常規(guī)浸漬法制備在浸 漬負(fù)載過程中由于傳質(zhì)推動力較小，致使活性組分負(fù)載較少，分散度較低，使所制備催化劑 催化性能下降。采用超聲輔助浸漬制備催化劑有利于提高催化劑活性組分的分散度，并可 以對催化劑起到改性的作用，進(jìn)而能夠提高催化劑的催化性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，本發(fā)明提供了一種制備條件溫和、工藝簡單、成 本價格較低的催化超低濃度甲烷燃燒的催化劑，該催化劑催化活性較好，催化穩(wěn)定性強(qiáng)，環(huán) 境污染小。
[0009] 同時，本發(fā)明還公開了一種超聲波輔助制備超低濃度甲烷燃燒催化劑的制備方 法。
[0010] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：
[0011] 一種超聲波輔助制備超低濃度甲烷燃燒催化劑，以Y-Al2O3為載體，以Mg (NO3)2溶 液為前驅(qū)體溶液制備助劑MgO負(fù)載到Y(jié) -Al2O3上，制得載體Y -Al2O3-MgO ;以Cu (NO3) 2溶液 為浸漬液，將活性組分CuO負(fù)載到Y(jié)-Al2O3-MgO上；浸漬過程中引入超聲波生化學(xué)處理，制 備出催化燃燒低濃度甲烷的催化劑。
[0012] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，載體Y-Al2O3顆粒粒徑為120?150目，比表面積 200 ?350m2/g ;載體 Y -Al2O3-MgO 中 Al/Mg 質(zhì)量比為 4:1。
[0013] 本發(fā)明提供的一種超聲波輔助制備超低濃度甲烷燃燒催化劑的制備方法，該方法 包括如下步驟：
[0014] 1)助劑的負(fù)載：將適量Mg (NO3)2溶于去離子水中，配制成濃度0. 3mol/L的前驅(qū)體 Mg (NO3) 2溶液，再將稱量好的Y -Al2O3以Al/Mg質(zhì)量比4:1浸漬到Mg (NO3) 2溶液中，用磁力 攪拌機(jī)攪拌浸漬5h并在干燥箱中120°C蒸干，在馬弗爐中700°C焙燒8h，得到負(fù)載有助劑 MgO 的載體 Y -Al2O3-MgO ;
[0015] 2)活性組分的負(fù)載：將一定量的Cu(NO3)2溶于去離子水中，配制成濃度為0. 3? 0.4mol/L的Cu(NO3)2溶液，將已制備的載體Y-Al2O 3-MgO浸漬到Cu(NO3)2溶液中，利用 水浴的方法保持溶液溫度在20?30°C范圍，采用超聲波聲化學(xué)處理裝置輔助浸漬處理溶 液，其中超聲波頻率為20?25KHZ，功率為90?300W，超聲時間10?30min，在干燥箱中 120°C蒸干，然后空氣氣氛下700°C焙燒8h，即得到所需催化超低濃度甲烷燃燒催化劑CuO/ Y_A1203-Mg0。
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果是：利用超聲波的能量促使活性組分CuO在 結(jié)構(gòu)上和功能上得到改性和優(yōu)化；催化劑制備工藝簡單，制備周期短，經(jīng)過超聲改性的催化 劑在催化燃燒超低濃度甲烷時，能夠有效提高催化劑的催化活性和穩(wěn)定性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1為普通浸漬法和實施案例3制備的催化劑XRD晶相表征圖。
[0018] 圖2為普通浸漬法和實施案例3 (超聲改性催化劑）制備的催化劑650°C下反應(yīng) 120h催化活性和穩(wěn)定性測定圖。

【具體實施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。
[0020] -種超聲波輔助制備超低濃度甲烷燃燒催化劑，以Y-Al2O3為載體，以Mg (NO3)2溶 液為前驅(qū)體溶液制備助劑MgO負(fù)載到Y(jié) -Al2O3上，制得載體Y -Al2O3-MgO, MgO有助于使催 化劑具備較高的熱穩(wěn)定性，并且可改善活性成分CuO的分散狀況和減小銅在反應(yīng)過程中發(fā) 生燒結(jié)的可能；以Cu (NO3) 2溶液為浸漬液，將活性組分CuO負(fù)載到Y(jié) -Al2O3-MgO上；浸漬過 程中引入超聲波生化學(xué)處理，制備出催化燃燒低濃度甲烷的催化劑。
[0021] 載體、助劑、活性組分均非貴重金屬且為工業(yè)級原料，價格較低。載體Y-Al2O 3顆 粒粒徑為120?150目，比表面積200?350m2/g ;載體Y-Al2O3-MgO中Al/Mg質(zhì)量比為 4:10
[0022] 實施案例I
[0023] -種超聲波輔助制備超低濃度甲烷燃燒催化劑的制備方法，該方法包括如下步 驟：
[0024] (1)將適量Mg (NO3) 2溶于去離子水中，配置成0.3mol/L的Mg (NO3)2溶液。再將直 徑為120?150目的顆粒狀Y -Al2O3以Al/Mg質(zhì)量比4:1的比例浸漬到Mg(NO3) 2溶液中， 用磁力攪拌機(jī)攪拌浸漬5h并在干燥箱中120°C蒸干，在馬弗爐中700°C焙燒8h，得到負(fù)載有 助劑MgO的載體Y _A1203-Mg0。
[0025] (2)將適量的Cu(NO3)2溶于去離子水中，配制成濃度為0.3mol/L的Cu(NO 3)2溶 液，將已制備的載體Y-Al2O3-MgO浸漬到Cu (NO3) 2溶液中，利用恒溫水浴保持溶液溫度在 20°C，采用超聲波聲化學(xué)處理裝置輔助浸漬并處理溶液，其中超聲波頻率為20KHZ，功率為 90W，超聲時間20min。在干燥箱中120°C蒸干，在馬弗爐中700°C焙燒8h，制得催化劑CuO/ Y_A1203-Mg0。
[0026] 為了評價步驟（2)所制得催化劑對超低濃度甲烷催化燃燒的催化活性，在固定床 微反應(yīng)器中進(jìn)行活性測試，將反應(yīng)氣（0. 5 % CH4和99. 5 %空氣混合氣）通入反應(yīng)裝置，在 反應(yīng)器中程序加熱至700°C，利用氣相色譜儀進(jìn)行尾氣成分檢測，計算出甲烷轉(zhuǎn)化率。催化 劑的活性利用所計算的甲烷轉(zhuǎn)化率進(jìn)行來評價。
[0027] 甲烷轉(zhuǎn)化率計算公式為：
[0028]

【權(quán)利要求】
1. 一種超聲波輔助制備超低濃度甲烷燃燒催化劑，其特征在于，以Y-Al2O 3為載體，以 Mg(NO3)2溶液為前驅(qū)體溶液制備助劑MgO負(fù)載到Y(jié) -Al2O3上，制得載體Y -Al2O3-MgO ;以 Cu (NO3)2溶液為浸漬液，將活性組分CuO負(fù)載到Y(jié)-Al2O 3-MgO上；浸漬過程中引入超聲波生 化學(xué)處理，制備出催化燃燒低濃度甲烷的催化劑。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲波輔助制備超低濃度甲烷燃燒催化劑，其特征在 于，載體Y -Al2O3顆粒粒徑為120?150目，比表面積200?350m2/g ;載體Y -Al2O3-MgO中 Al/Mg質(zhì)量比為4:1。
3. -種超聲波輔助制備超低濃度甲烷燃燒催化劑的制備方法，其特征在于，該方法包 括如下步驟： 1) 助劑的負(fù)載：將適量Mg(NO3)2溶于去離子水中，配制成濃度0. 3mol/L的前驅(qū)體 Mg (NO3) 2溶液，再將稱量好的Y -Al2O3以Al/Mg質(zhì)量比4:1浸漬到Mg (NO3) 2溶液中，用磁力 攪拌機(jī)攪拌浸漬5h并在干燥箱中120°C蒸干，在馬弗爐中700°C焙燒8h，得到負(fù)載有助劑 MgO 的載體 Y -Al2O3-MgO ; 2) 活性組分的負(fù)載：將一定量的Cu(NO3)2溶于去離子水中，配制成濃度為0.3? 0.4mol/L的Cu(NO 3)2溶液，將已制備的載體Y-Al2O3-MgO浸漬到Cu(NO 3)2溶液中，利用 水浴的方法保持溶液溫度在20?30°C范圍，采用超聲波聲化學(xué)處理裝置輔助浸漬處理溶 液，其中超聲波頻率為20?25KHZ，功率為90?300W，超聲時間10?30min，在干燥箱中 120°C蒸干，然后空氣氣氛下700°C焙燒8h，即得到所需催化超低濃度甲烷燃燒催化劑CuO/ Y-Al 2O3-MgO0
【文檔編號】B01J23/72GK104307522SQ201410610042
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月29日
【發(fā)明者】陳艷容, 楊仲卿, 樊湖, 李浩杰, 楊政 申請人:重慶大學(xué)