一种基于粉煤灰的高电子迁移催化材料制备方法

1.本发明涉及脱硝催化剂制备技术领域，具体涉及一种基于粉煤灰的高电子迁移催化材料制备方法。


背景技术：

2.氮氧化物(no
x
)排放处理不当不仅会使空气质量变差、产生酸雨、与臭氧形成光化学污染，还会使人体产生各类肺部方面的疾病，因此减少氮氧化物的排放成为国内外相关领域学者的一致认识。选择性催化还原(selectivecatalyticreduction，scr)是欧洲柴油车尾气处理的主流技术，其中催化系统是该技术的核心部分，如何提高催化效率或者能够研发出一种高效的催化材料是scr技术中催化系统的主要研究方向。目前使用最多的scr催化剂是钒钛系催化剂，脱硝活性高、抗硫性好，但其主要问题在于五氧化二钒毒性较大，被列入危废。
3.粉煤灰作为电厂燃烧燃煤所产生的废料，包括多种可用作催化剂原料或者催化载体的成分，如sio2、al2o3、fe2o3等。其中铁氧化物作为过渡金属化合物具备良好的导电性能以及较高的催化活性，是传统钒钛系催化剂的理想替代品。因此，可以用粉煤灰为原料制备铁基催化剂。
4.目前的制备方法多从提升比表面积、提升氧化还原性考虑。而催化反应本质上是利用催化剂的各项性能改变反应途经、降低反应所需活化能的一个过程。反应物与反应物、反应物与催化剂之间存在的电子迁移能够控制反应物接触表面的活性、氧缺陷位数量与表面酸性强弱，所以如何有效提高催化剂的电子迁移率是提升催化剂的催化活性、选择性与反应速率的关键。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供一种基于粉煤灰的高电子迁移催化材料制备方法，其能够有效提升催化材料的电子迁移率，使其性能提升四个数量级，达到增加脱硝活性的目的。
6.为实现上述目的，本技术的技术方案为：一种基于粉煤灰的高电子迁移催化材料制备方法，包括：
7.利用粉煤灰原灰进行湿渣磁选；
8.将湿渣磁选后得到的粉体进行高能球磨；
9.通过高能球磨后的粉体实现等离子体放电。
10.作为本发明的进一步改进是，所述湿渣磁选实现方式为：
11.首先调节水灰比在8:1-1:1之间，加入1％-5％的无水乙醇；
12.然后利用电动搅拌器搅拌230-255s待其混合均匀后，放入11000-15000gs的磁棒进行吸附，重复此步骤多次提高磁选率；
13.最后放入干燥炉中50℃下干燥2.5-4.5h得到干燥粉体。
14.作为本发明的进一步改进是，所述高能球磨实现方式为：
15.将湿渣磁选后的干燥粉体放入磨球罐，放入一定量无水乙醇使其呈现粘稠糊状；
16.放入磨球，所述磨球为直径不同的多种磨球，设置球磨机转速为500-600r/min，球磨时间为28-32h；
17.球磨后放入干燥炉中50℃下干燥2.5-4.5h得到干燥粉体。
18.作为本发明的进一步改进是，所述磨球为直径4mm、6mm、10mm和20mm的四种磨球，其质量比依次为35:52:52:35。
19.作为本发明的进一步改进是，所述等离子体放电实现方式为：
20.将高能球磨后的干燥粉体放入等离子体放电装置的放电区域中；设置放电间隙2-4mm、放电长度180-220mm、放电功率110-150w、改性时间15-25min，通入氧气作为工作气体，最终得到高电子迁移催化剂。
21.作为本发明的进一步改进是，所述等离子体放电装置，包括高压电极、接地电极、尼龙固定件和透明石英管，所述透明石英管两端分别连接有尼龙固定件，其中一个尼龙固定件上设置进气口，另一个尼龙固定件上设置出气口；所述高压电极贯穿两个尼龙固定件置于透明石英管内，在透明石英管外面套接有接地电极，该接地电极与高压电极重合区域为放电区域。
22.基于上述方案，本发明的有益效果是：
23.1)粉煤灰来源广泛、价格低廉，易于工业化生产。
24.2)资源化利用固体废弃物粉煤灰制备车用脱硝催化剂对实现循环经济发展具有较重要意义。
25.3)与现有技术相比，本发明提供一种提升材料电子迁移率的方法，不仅能应用在粉煤灰上，也能应用于其他各种固体表面催化材料上，使其提升催化效果。
26.4)与现有其他催化材料相比，本发明所用材料无毒无害，制备环境友好，容易大量获取。
附图说明
27.图1为湿渣磁选过程示意图。
28.图2为球磨后粉煤灰实物图。
29.图3为等离子体反应装置结构示意图。
30.图中序号说明：1-高压电极，2-接地电极，3-放电区域，4-进气口，5-出气口，6-尼龙固定件，7-透明石英管。
具体实施方式
31.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术，即所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
32.本发明主要意图在于，提供一种通过提升材料电子迁移率，来提升脱硝效果的催化材料制备方法。本实施例所给出的方法为针对粉煤灰材料的最大电子迁移率提升方法。如不考虑这一结果，则在实际制备过程中，可以对参数进行任意调整。
33.本实施例的一种基于粉煤灰的高电子迁移催化材料制备方法，具体包括：
34.1)利用粉煤灰原灰进行湿渣磁选；
35.具体的，如图1所示，首先将去离子水与粉煤灰原灰以4:1的比例混合为灰浆导入烧杯中，并且为了提高粉煤灰中各成分的分散性，需要加入3％的无水乙醇作为分散剂。接下来将放有灰浆的烧杯置于电动搅拌器下，搅拌时间设置为240s，之后立即用12000gs的磁棒伸入烧杯中进行充分搅拌，一段时间后取出磁棒并用塑料刮片将磁珠刮下备用，重复此操作三次以提高磁选率，最后将磁选后粉煤灰放入干燥箱50℃下进行烘干备用。本发明所得催化剂原材料粉煤灰来源广泛、价格低廉，易于工业化生产，能够在催化领域中有效提升催化反应的效率。
36.2)将湿渣磁选后得到的粉体进行高能球磨；
37.具体的，采用型号为ke-0.4l的行星式球磨机对磁选后粉煤灰进行湿法研磨，研磨磨球选择硬度高且能够避免在粉煤灰中引入多余成分的氧化锆磨球，磨球填充率选择0.3，所对应的研磨介质直径4mm、6mm、10mm和20mm的四种磨球的质量比依次为35:52:52:35，称取21.4克磁选后粉煤灰与称量好的磨球放入球磨罐中，之后加入一定量无水乙醇作为湿磨分散剂和冷却剂使得灰浆呈现糊状，设置球磨机转速为550r/min，球磨时间为30h。然后将放有灰浆的球磨罐放入50℃的干燥箱中进行烘干，烘干之后通过筛网过筛，所得球磨后粉煤灰颜色相较磁选后粉煤灰由深灰色变为深褐色。所得粉体如图2所示。
38.3)通过高能球磨后的粉体实现等离子体放电；
39.具体的，称取球磨后粉煤灰材料5克铺平于等离子体反应装置的放电区域3中，接着通入一定流速的氧气并接通电源对球磨后粉煤灰进行等离子体放电改性。所采用的放电方式为介质阻挡放电，放电结构为同轴圆筒单介质结构，如图3所示。本发明选用的放电介质为长350mm、直径24mm、壁厚2mm的透明石英管，高压电极选用一根长500mm、直径和壁厚为14
×
1的h62黄铜管，接地电极选用铁丝网包覆在透明石英管外，放电间隙通过控制黄铜管外壁与石英管内壁距离来调整，选用3mm。放电长度通过控制外部包覆接地电极长度来控制，选用200mm。放电功率选择130w，改性时间选择20min，改性气体选择氧气，出气口5处电离产生的臭氧需利用碱液收取防止污染环境。
40.最终制得的高电子迁移催化剂的电阻率为27.92mω
·
cm，电子迁移率为9.78
×
10-5
cm2/v
·
s，相较最开始的原灰，性能提升四个数量级。脱硝率提升约20％左右。
41.本发明制备的具有高电子迁移率的亚微米级(100nm～1000nm)粉煤灰，通过电子的快速迁移，能够提升催化剂表面活性，促使其表面生成更多活性位点，从而加快车辆脱硝进程中污染物间的氧化还原反应进程。所用原材料粉煤灰属于工业废料，来源广泛并且价格低廉，对其进行资源化回收利用，不仅解决了催化剂的原料来源，还一并解决了粉煤灰的储存问题、污染问题，对有效缓解资源短缺、促进废物再利用和实现可循环发展具有十分重要的意义。
42.前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

技术特征：
1.一种基于粉煤灰的高电子迁移催化材料制备方法，其特征在于，包括：利用粉煤灰原灰进行湿渣磁选；将湿渣磁选后得到的粉体进行高能球磨；通过高能球磨后的粉体实现等离子体放电。2.根据权利要求1所述一种基于粉煤灰的高电子迁移催化材料制备方法，其特征在于，所述湿渣磁选实现方式为：首先调节水灰比在8:1-1:1之间，加入1％-5％的无水乙醇；然后利用电动搅拌器搅拌230-255s待其混合均匀后，放入11000-15000gs的磁棒进行吸附，重复此步骤多次提高磁选率；最后放入干燥炉中50℃下干燥2.5-4.5h得到干燥粉体。3.根据权利要求1所述一种基于粉煤灰的高电子迁移催化材料制备方法，其特征在于，所述高能球磨实现方式为：将湿渣磁选后的干燥粉体放入磨球罐，放入一定量无水乙醇使其呈现粘稠糊状；放入磨球，所述磨球为直径不同的多种磨球，设置球磨机转速为500-600r/min，球磨时间为28-32h；球磨后放入干燥炉中50℃下干燥2.5-4.5h得到干燥粉体。4.根据权利要求3所述一种基于粉煤灰的高电子迁移催化材料制备方法，其特征在于，所述磨球为直径4mm、6mm、10mm和20mm的四种磨球，其质量比依次为35:52:52:35。5.根据权利要求1所述一种基于粉煤灰的高电子迁移催化材料制备方法，其特征在于，所述等离子体放电实现方式为：将高能球磨后的干燥粉体放入等离子体放电装置的放电区域中；设置放电间隙2-4mm、放电长度180-220mm、放电功率110-150w、改性时间15-25min，通入氧气作为工作气体，最终得到高电子迁移催化剂。6.根据权利要求1所述一种基于粉煤灰的高电子迁移催化材料制备方法，其特征在于，所述等离子体放电装置，包括高压电极、接地电极、尼龙固定件和透明石英管，所述透明石英管两端分别连接有尼龙固定件，其中一个尼龙固定件上设置进气口，另一个尼龙固定件上设置出气口；所述高压电极贯穿两个尼龙固定件置于透明石英管内，在透明石英管外面套接有接地电极，该接地电极与高压电极重合区域为放电区域。

技术总结
本发明提供一种基于粉煤灰的高电子迁移催化材料制备方法，包括：利用粉煤灰原灰进行湿渣磁选；将湿渣磁选后得到的粉体进行高能球磨；通过高能球磨后的粉体实现等离子体放电。本发明通过电子的快速迁移，提升催化剂表面活性，促使其表面生成更多活性位点，从而加快车辆脱硝进程中污染物间的氧化还原反应进程。所用原材料粉煤灰属于工业废料，来源广泛并且价格低廉，对其进行资源化回收利用，不仅解决了催化剂的原料来源，还一并解决了粉煤灰的储存问题、污染问题，对有效缓解资源短缺、促进废物再利用和实现可循环发展具有十分重要的意义。再利用和实现可循环发展具有十分重要的意义。再利用和实现可循环发展具有十分重要的意义。


技术研发人员：亓占丰 王珍 高瑞 郭秀丽 徐婧文 王诗璇 李楠楠
受保护的技术使用者：大连大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/16