降解VOCs的Mn-Zr-La-Ce催化剂和制备方法及其低温等离子体协同催化应用

技术领域

本发明涉及挥发有机废气处理技术领域，具体涉及降解VOCs的Mn-Zr-La-Ce催化剂和制备方法及其低温等离子体协同催化应用。

背景技术

挥发性有机污染物(Volatile Organic Compounds，VOCs)是当今大气污染的重要前体物。它可以直接或间接地引发成雾霾、光化学烟雾、和全球变暖等污染。VOCs成分复杂，有异味剧毒，不仅会对大气环境造成影响，还会危害人体健康。随着经济的发展，治理VOCs排放已迫在眉睫。工业大量使用有机溶剂是大气VOCs的重点来源。按挥发性有机化合物的化学结构可进一步分为8类:烷类、芳烃类、烯类、卤烃类、酯类、醛类、酮类和其他化合物。VOCs污染物的主要来源有工业固定排放源、机动车尾气排放源和日常生活排放源等三个方面。工业固定源是其主要排放源。在VOCs排放重点行业中主要有石化、化工、工业涂装、印刷等行业。

常规的处理VOCs的方法主要包括两大类:一是通过物理或化学的方法达到分离回收利用的效果，主要包括膜分离、吸附与吸收和冷凝；另一类是通过燃烧、催化等方法破坏其分子结构达到降解的效果，这主要包括生物处理、光催化等技术。然而，这些常规处理技术在一定程度上存在着一些缺点，例如成本高、去除低浓度的VOCs操作难度大。近年来，低温等离子体技术成为研究者们的研究热点。研究表明，低温等离子体技术可在常温下将VOCs降解转化为二氧化碳和水等，尤其对于大风量低浓度的废气具有独特的去除作用；同时它还可以降解一种或多种混合VOCs。因而它被认为是处理工业废气的潜在有效途径。但由于单独低温等离子体(NTP)降解VOCs不易完全矿化，选择性较差，会产生有害副产物，从而形成毒性更强的化合物。在NTP反应系统中加入适当的催化剂可以提高降解效果和降低臭氧等副产物浓度。

在低温等离子体协同催化剂降解技术中，催化剂是其降解效果好否的核心所在，催化剂性能的优劣对降解效率和降低运行成本有着决定性的影响。低温等离子体协同催化剂属于固体催化剂，一般由载体、活性组分和助催化剂等组成。按照催化剂所使用的活性组分的不同，催化剂可以分为贵金属催化剂和金属氧化物催化剂(非贵金属催化剂)两大类。贵金属催化剂主要以Pt、Au、Pd、Ag等为活性物质，其具有低温高活性的特点，但成本较高。近年来非贵金属催化剂催化燃烧VOCs是环境催化领域的研究热点之一，该类催化剂具有催化氧化活性高、稳定性好、价格廉价等特点而得到广泛研究，以Cu、Mn、Cr、La、Ce、Zr等非贵金属氧化物为主。

公开号为CN104607172A的中国专利文献公开了一种Ce掺杂等离子体催化剂对于甲苯的降解，当施加电压为17kV时，空管、单独二氧化钛催化剂、铈掺杂催化剂对于甲苯降解率分别为25.4％、62.3％、70.3％。上述专利文献公开的催化剂的催化降解率较低，同时对其它VOCs气体，如间二甲苯、乙酸乙酯的降解率不高。

发明内容

本发明提供一种具有较高的降解活性和稳定性的降解VOCs的Mn-Zr-La-Ce催化剂，及其制备方法和在低温等离子体协同催化乙酸乙酯、间二甲苯的应用。

所述催化剂的活性组分为Mn、Zr、La和Ce，以原子摩尔比计，Mn:Zr:La:Ce＝1-2:0.5-2:0.5-2:0.5-2；所述催化剂的比表面积为100-300m

所述的催化剂具有较高的比表面积，上述催化剂中的活性组分Mn、Zr、La和Ce均匀有序的分布在催化剂的表面，其表面存在大量阴离子缺陷为分子氧提供合适的活化位置，从而具有较高的催化性能和稳定性能。

本发明还提供了一种降解VOCs的Mn-Zr-La-Ce催化剂的制备方法，包括:

(1)按照各元素原子摩尔比Mn:Zr:La:Ce＝1-2:0.5-2:0.5-2:0.5-2的比例配置各前驱体溶液，然后混合得到混合盐溶液，并超声搅拌均匀；

(2)将纳米氧化铝载体加入到所述混合盐溶液中，搅拌过后，在室温下阴干24-26h形成凝胶；

(3)将所述凝胶干燥1-2h，再煅烧3-5h制得Mn-Zr-La-Ce复合催化剂。

所述催化剂的活性组分以纳米级颗粒的状态牢固，均匀的负载在富含缺陷位的纳米氧化铝上，使得负载纳米氧化铝的Mn-Zr-La-Ce催化剂具有较高催化活性和稳定性。

基于活性组分(锰、锆、镧、铈)以硝酸盐溶液形态浸渍到纳米氧化铝载体中并渗透到内表面，当浸渍平衡后再经过干燥，将水分蒸发溢出，可使活性组分的盐类遗留在载体的内表面上，这些金属盐类均匀分布在载体的细孔中，经加热分解后，即可得到高度分散的催化剂。

步骤(1)中，所述的超声搅拌条件为:超声搅拌时间为20-30min，超声搅拌速率为0-2400r/min。

步骤(2)中，所述的纳米氧化铝载体为γ相氧化铝，平均粒径为20nm。

γ相氧化铝载体的主要作用是使活性组分分散在载体表面形成较为稳定的结构，同时起到一个支撑作用。

步骤(2)中，纳米氧化铝载体与混合溶液的体积比为1-1.05:1。纳米氧化铝载体与混合溶液的合适体积比，使得混合溶液中的水分被纳米氧化铝载体大量吸收，混合溶液处于无水浆糊状，使得载体可与金属盐溶液完全浸渍，省去过量多余的浸渍液，便于控制催化剂中活性组分的含量，节省活性组分。

步骤(3)中，所述的干燥条件为:在温度为105-120℃条件下，干燥1.5-2h。

步骤(3)中，所述的煅烧条件为:在温度为300-500℃条件下，煅烧3-5h。

本发明还提供了所述的Mn-Zr-La-Ce催化剂在低温等离子体协同作用下分别催化降解乙酸乙酯或间二甲苯的应用。

所述的乙酸乙酯、间二甲苯的质量浓度范围分别为800-1100mg/m

所述的乙酸乙酯降解率高达91.0％以上，间二甲苯的降解率高达90.0％以上。

与现有技术相比，本发明的有益效果为:

(1)本发明提供的制备方法简单、能实现催化剂工业应用量产，对间二甲苯、乙酸乙酯有着十分高效的去除效果，本发明提供的催化剂针对间二甲苯、乙酸乙酯，表现出非常优良的高效低温等离子体协同催化效率，在施加电压为44kV时其降解效率均可达90％以上。

(2)本发明提供的低温等离子体协同Mn-Zr-La-Ce催化剂降解苯类有机物的降解效率高，通过不同的锰、锆、镧、铈原子比，可获得适合协同低温等离子体降解的催化剂，将具有广阔的应用前景。

(3)本发明提供的Mn-Zr-La-Ce催化剂在制备过程中以去离子水作为溶剂，无环境污染。同时催化剂的活性组分原料交廉价易得，成本低。

附图说明

图1为实施例1获得的Mn-Zr-La-Ce(摩尔比为1:1:1:1)催化剂及空管条件下放电降解间二甲苯去除效率比较图；

图2为实施例1获得的Mn-Zr-La-Ce(摩尔比为1:1:1:1)催化剂在放电情况下降解乙酸乙酯的去除效率；

图3为实施例1获得的Mn-Zr-La-Ce(摩尔比为1:1:1:1)催化剂在放电情况下降解间二甲苯的CO2选择性。

图4为实施例2获得的Mn-Zr-La-Ce(摩尔比为1:1:2:2)催化剂及空管条件下放电降解间二甲苯去除效率比较图；

图5为实施例2获得的Mn-Zr-La-Ce(摩尔比为1:1:2:2)催化剂在放电情况下降解乙酸乙酯的去除效率；

图6为实施例2制得的催化剂实物照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以下实施例中所用试剂均为分析纯。但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

本实施例的低温等离子体协同的Mn-Zr-La-Ce催化剂的制备方法，包括以下步骤:

(1)量取密度为1.536g/mL的硝酸锰溶液11.65mL，分别称取硝酸锆21.466g、硝酸镧21.6505g、硝酸铈21.711g。将它们分别溶于去离子水中，配制浓度为0.2mol/L的水溶液，然后分别量取四种溶液各9mL混合，再在搅拌速率为1200r/min的情况下，超声搅拌30min，备用；

(2)将平均粒径为20nm的γ-Al

(3)将步骤(1)得到的混合金属水溶液加入20g步骤(2)中的平均粒径为20nm的γ-Al

(4)将步骤(3)得到的混合物置于烘箱，在120℃条件下烘干2h；

(5)将步骤(4)得到的混合物置于马弗炉中，在500℃下煅烧3h后制得负载γ-Al

选择氧化铝的原因主要有：1.氧化铝的孔体积较大，比表面积比较大；2.其机械性能比较好，不容易碎裂和粉化(这在工业生产上市非常重要的)；3.其作为载体，它的活性比较好；4.其吸附性比较好，有较好的浸渍性比较好，负载的金属溶液比较容易负载上。

性能测试

测试方法为：取实施例1得到的催化剂1000mg，置于自制的低温等离子体发生器中。室温20℃下，用GC1690连续分别检测低温等离子体发生器进气端和出气端间二甲苯、乙酸乙酯的浓度，低温等离子体反应器的进气端和出气端间二甲苯、乙酸乙酯的浓度也即是间二甲苯及乙酸乙酯降解前和降解后的浓度，通过计算其降解前后的浓度可以得到其的降解率。

其中反应气组成为：

降解间二甲苯：间二甲苯浓度为300mg/m

降解乙酸乙酯：乙酸乙酯浓度为1000mg/m

从图1可以看出，实施例1所得到的Mn-Zr-La-Ce(摩尔比为1:1:1:1)催化剂，在施加电压为28kV至44kV之间，对间二甲苯的降解率从29.52％提高至93.13％，而在无催化剂的条件下，施加电压为28kV至44kV之间，对间二甲苯的降解率从33.33％提高至67.25％，有催化剂的情况其降解率显著高于无催化剂降解的情况。由此可看出该催化剂在协同低温等离子体的情况下对于间二甲苯的降解效果更佳，同时可看出该种催化剂的协同作用较好。

从图2可以看出，实施例1所得到的Mn-Zr-La-Ce(摩尔比为1:1:1:1)催化剂，在施加电压为28kV至44kV之间，对乙酸乙酯的降解率从42.20％提高至92.02％，对于乙酸乙酯的降解效果较好。

从图3可以看出，实施例1所得到的Mn-Zr-La-Ce催化剂(摩尔比为1:1:1:1)，在施加电压为28kV至44kV之间，对降解间二甲苯的CO

实施例1得到Mn-Zr-La-Ce(摩尔比为1:1:1:1)催化剂放置72h后，在施加电压为44kV的情况下，对于乙酸乙酯及间二甲苯的降解率仍可达90％以上，稳定性较好。

实施例2

本实施例的低温等离子体协同的Mn-Zr-La-Ce催化剂的制备方法，包括以下步骤:

(1)量取密度为1.536g/mL的硝酸锰溶液11.65mL，分别称取硝酸锆21.466g、硝酸镧21.6505g、硝酸铈21.711g。将它们分别溶于去离子水中，配制浓度为0.2mol/L的水溶液。量取浓度为0.2mol/L硝酸锰和硝酸锆水溶液各6mL、硝酸镧和硝酸铈水溶液各12mL，将其混合，在搅拌速率为1200r/min的情况下，超声搅拌30min；

(2)将粒径为20nm的γ-Al

(3)将步骤(1)得到的混合金属水溶液加入15g步骤(2)中的粒径为20nm的γ-Al

(4)将步骤(3)得到的混合物置于烘箱，在120℃条件下烘干2h；

(5)将步骤(4)得到的混合物置于马弗炉中，在500℃下煅烧3h后制得负载γ-Al

性能测试

测试方法为:取实施例2得到的催化剂1000mg，置于自制的低温等离子体发生器中。室温20℃下，用GC1690连续检测低温等离子体发生器进气端和出气端间二甲苯和乙酸乙酯的浓度，低温等离子体进气端和出气端间二甲苯和乙酸乙酯的浓度也即是间二甲苯及乙酸乙酯降解前和降解后的浓度，通过计算间二甲苯及间二甲苯降解前后的浓度可以得到间二甲苯及乙酸乙酯的降解率。其中反应气组成为：

降解间二甲苯：间二甲苯浓度为250mg/m

降解乙酸乙酯：乙酸乙酯浓度为1050mg/m

从图4可以看出，实施例2所得到的Mn-Zr-La-Ce(摩尔比为1:1:2:2)催化剂，在施加电压为28kV至44kV之间，对间二甲苯的降解率从25.26％提高至90.73％，而在无催化剂的条件下，施加电压为28kV至44kV之间，对间二甲苯的降解率从33.33％提高至67.25％，有催化剂的情况其降解率显著高于无催化剂降解的情况。由此可看出该催化剂在协同低温等离子体的情况下对于间二甲苯的降解效果更佳，同时可看出该种催化剂的协同作用较好。

从图5可以看出，实施例2所得到的Mn-Zr-La-Ce(摩尔比为1:1:2:2)催化剂，在施加电压为28kV至44kV之间，对乙酸乙酯的降解率从28.36％提高至91.74％，对于乙酸乙酯的降解效果较好。

实施例2得到Mn-Zr-La-Ce(摩尔比为1:1:2:2)催化剂放置72h后，在施加电压为44kV的情况下，对于乙酸乙酯及间二甲苯的降解率仍可达90％以上，稳定性较好。

图6为实施例2制得的催化剂实物照片，从图6中可以看出催化剂未发生集聚，分散在载体表面。