网络首发||刘庆岭教授：脱硝催化剂碱（土）金属中毒机制及抗中毒方法研究进展
文摘
科学
2024-07-16 10:30
浙江
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本研究系统梳理了碱金属对多种SCR催化剂的中毒机理，总结出碱金属主要通过化学中毒和物理中毒的过程影响催化剂的性能。同时，文章概述了提升催化剂抗碱金属中毒能力的研究进展，包括催化剂改性、催化剂结构设计优化以及加强催化剂载体有效利用等方法。在考虑催化剂实际应用环境的基础上，本研究探讨了烟气中的碱金属与SO2、重金属等成分对催化剂的共同毒害影响并对催化剂的协同抗性研究进行了展望。
刘庆岭，天津大学英才教授、博士生导师，天津大学研究生院学位办公室主任，国家重点研发计划首席科学家。天津市室内空气环境控制重点实验室副主任，入选“天津市海外高层次人才计划”，天津大学“北洋青年学者”，天津大学“英才教授”。入选天津市“131人才计划”中国环境科学学会VOCs专委会常委，全国工程专业学位研究生教育指导委员会工程博士专项工作组专家，天津市人民政府学位委员会专业学位教育指导委员会委员，天津市环境工程领域教学指导委员会委员。主要从事环境工程、环境功能材料、膜分离材料，大气污染控制与防治等领域的工作。先后主持科技部973、国家自然科学基金、国家重点研发计划、天津市生态环境重大专项等项目。研发了车船重型柴油机尾气中氮氧化物、颗粒物等去除的关键催化材料与技术。研究成果应用于国之重器中交集团绞吸船舶以及商用柴油车辆，获天津市科技进步一等奖2项，二等奖1项。近年来在Chemical Reviews, Journal of the American Chemical Society, Environmental Science & Technology, Applied Catalysis B: Environment and Energy, ACS Catalysis, Chemical Engineering Journal, Langmuir, Green Chemistry等期刊发表论文100余篇。课题组网站：http://catalysis.tju.edu.cn/脱硝催化剂碱（土）金属中毒机制及抗中毒方法研究进展
汤雨萱1，王凯欣1，王雨禾1，刘彩霞1，王贺2，王天昊2，李志勇2，杨文娟2，陈艳国2，张亚威2，李海波2，刘庆岭1, *1. 天津大学 环境科学与工程学院
2. 天津泰达环保有限公司
1. 国家自然科学基金资助项目（2022YFB3504100, 2022YFB3504102）
2. 国家重点研发计划资助项目（22276133）
氮氧化物作为多种燃烧过程的副产物，长期以来对环境和人类健康产生了不利影响。为了从源头上减少氮氧化物的排放，选择性催化还原（SCR）脱硝技术因其高效成熟的技术特性而被广泛应用。然而，在燃烧过程中产生的碱金属和碱土金属会对SCR催化剂产生不利影响，导致脱硝性能下降。因此，深入研究碱金属对SCR催化剂的中毒机理和抗中毒策略对于延长催化剂的使用寿命并降低运行成本至关重要。系统梳理了碱金属对多种SCR催化剂中毒的机理，并总结出碱金属主要通过化学中毒和物理中毒过程影响催化剂的性能。同时，概述了提升SCR催化剂的抗碱金属中毒能力的相关研究进展，包括催化剂改性、合理设计催化剂结构以及有效利用催化剂载体等方法。在综合考虑催化剂实际应用场景的基础上，阐释了烟气中碱金属与SO2、重金属等成分对催化剂的共同毒害影响，并展望了催化剂的协同抗性研究。氮氧化物(NOx=NO+NO2)是大气污染物的重要组成部分，主要来源于化石燃料燃烧、垃圾焚烧以及机动车尾气的排放。随着全球能源消耗量的不断增长，NOx的排放量也持续上升，给环境带来了严重压力，并对人类健康造成了潜在威胁。因此，烟气脱硝技术研发及应用的重要性日益凸显。目前，去除NOx主要采用的方法有选择性非催化还原法（SNCR）、选择性催化还原法（SCR）以及SNCR和SCR二者结合的工艺。其中，SCR被公认为最有效、最成熟的工艺。近年来，SCR技术由于其较高的脱硝性能和相对成熟的工艺，已成为实际烟气处理中控制NOx排放最有效的技术之一。作为SCR技术的核心，脱硝催化剂的合理设计及使用能够有效提升脱硝效率、增强稳定性能、降低生产成本。然而燃烧烟气中碱金属会毒害SCR催化剂，导致催化剂失活。目前对催化剂有毒害作用的碱金属包括K、Na、Ca、Mg、Li、Ba等，其中，K、Na、Ca、Mg在各类燃烧烟气中最为常见。根据已有研究，SCR催化剂碱金属中毒机制主要包含化学中毒和物理中毒。根据催化剂类型的不同其中毒机制也有一定差异。如钒基催化剂、铁基催化剂中毒机制主要与碱金属破坏Brønsted酸位点和抑制氧气吸附能力有关；碱金属通过降低催化剂表面Ce3+/(Ce3++Ce4+)比率和NH3的吸附能力，致使铈基催化剂中毒失活。碱土金属（如Ca和Mg）会对锰基催化剂造成更明显的物理中毒，表现为催化剂比表面积的减少，不利于SCR反应过程中反应物种的吸附。近年来，在SCR催化剂碱金属中毒研究领域,研究人员取得了一系列重大突破。本文旨在全面分析碱金属对SCR催化剂中毒机制的前沿研究进展，并对目前各类抗碱金属中毒策略和原理进行总结与探讨，为未来开发对碱金属及碱土金属有较强抗中毒能力的高效SCR催化剂，延长催化剂的使用寿命，降低催化剂更换所带来的投入成本提供针对性参考和指导。![]()
图1 SCR催化剂的碱金属中毒机理
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图2 不同含钾化合物对V2O5-WO3/TiO2催化剂的中毒机理[9]
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图3 CaO对Mn-Ce/AC催化剂SCR反应的中毒机理[17]
汤雨萱, 王凯欣, 王雨禾, 刘彩霞, 王贺, 王天昊, 李志勇, 杨文娟, 陈艳国, 张亚威, 李海波, 刘庆岭. 脱硝催化剂碱（土）金属中毒机制及抗中毒方法研究进展[J/OL]. 能源环境保护: 1-13[2024-07-11]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240615.TANG Yuxuan, WANG Kaixin, WANG Yuhe, LlU Caixia, WANG He, WANG Tianhao, LI Zhiyong, YANG Wenjuan, CHEN Yanguo, ZHANG Yawei, LI Haibo, LlU Qingling. Recent advances in the research on the poisoning mechanisms and anti-poisoning methods of alkali (earth) metal for denitrification catalysts[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-13[2024-07-11]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240615.
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编辑｜姚情璐
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