一种固体碳材料及以此为还原剂电化学脱硝的方法与流程

本发明涉及尾气排放控制技术领域，具体地说，是一种固体碳材料及以此为还原剂电化学脱硝的方法，可用于燃煤锅炉烟气、机动车尾气排放控制。

背景技术：

燃煤锅炉烟气、机动车尾气排放中的氮氧化物(nox)，如no、no2是引起雾霾的重要因素之一。随着经济发展，我国nox排放标准也日益严格，nox控制技术要求也日益提高。目前，工业化应用的烟气(尾气)nox控制技术包括选择性催化还原(scr)工艺，它是利用nh3、尿素co(nh2)2、co、hc、h2等作为还原剂，在富氧、低温、低浓度条件下选择性催化还原nox，其脱硝效率较高(最高可达90％)。但是，气态或液态还原剂制备辅助系统增加了scr脱硝工艺的复杂性和不安全性，同时运用较为成熟的nh3基还原剂还具有二次污染、硫酸铵堵塞失活催化剂的风险。因此，开发一种制备成本低廉的还原剂，并且还原剂存储、运输安全，对催化剂无毒害作用的高效新型烟气(尾气)脱硝技术具有很好的应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对scr脱硝工艺中气、液态还原剂制备、储存、运输成本较高，氨基还原剂易引起二次污染和催化剂遭受硫毒化失活等缺点，提出一种采用固体活性炭、石墨、炭黑及其改性碳材料为还原剂进行电化学脱硝的技术，该方法具有安全、无污染、催化剂不被硫失活，并且同时产生电能的特点。

本发明采用的具体技术方案如下：一种固体碳材料，该固体碳材料是由高比表面活性炭、石墨、炭黑及它们经fe³⁺、cu²⁺、ag⁺改性后的碳材料制备而成，所制得的碳材料粒径1um以下，比表面积90～2000m2/g，制作过程具体如下：将fe³⁺、cu²⁺、ag⁺改性碳材料在改性前先用去离子水洗净，然后放入110℃的烘箱中烘12h，然后室温条件下，在50ml100mmol/l的fe(no3)3、cu(no3)2、agno3溶液中搅拌浸渍12h，静置12h，再将浸渍处理后的碳材料过滤、水洗3～5次以除去没有负载上的离子，过滤后放于110℃的烘箱中恒温干燥12h，即可制得不同金属离子改性的碳材料，分别记为fe³⁺/c、cu²⁺/c、ag⁺/c。

一种以固体碳材料为还原剂电化学脱硝的方法，包括以下步骤：称取上述准备好的碳材料1.0g，装填入制备好的以ni-ysz(阳极)|ysz(固体电解质膜)|lsm(阴极)为结构的管式膜反应器的阳极腔中。阳、阴极(即管式膜反应器内、外表面)刷制一定量的银浆作为电流收集器，以覆盖住电极为佳，并将银丝缠绕各自表面，引出。将管式脱硝反应器采用银胶封装于套管式进气系统中，银丝留置于管外作为电流收集用。将封装好的电化学脱硝反应器置于电炉中，升温至700-800℃，向阴极侧通入含有nox的模拟烟气进行电化学脱硝。

本发明的有益效果：本发明具有以下有益效果：

相对于采用气体或者液体作为还原剂的scr脱硝过程来说，它的还原剂为固体碳，来源广，资源丰富，价格便宜。同时，储存和运输携带方便、安全，无二次污染；

由于还原剂与烟气不直接接触，不存在与烟气中so2反应的问题，因此对催化剂无毒害作用；

电化学还原nox过程中，电子的得失可以在外电路产生一定量的电流，并且固体碳材料的能量密度比气体、液体高。因此在脱硝过程中，可以获取副产品电能。

附图说明

图1是本发明中管式电化学脱硝装置的结构示意图。

图2是根据本发明所述制备工艺制得的各种碳材料扫描电镜形貌图。

图中，1-碳材料，2-阳极支撑体ni-ysz，3-固体电解质ysz膜，4-阴极lsm。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例：如图1所示，实施例1：称取高比表面积活性炭1.0g(sbet＝1800m²/g)，在90℃条件下烘干1h，将烘干后的活性炭装填入ni-ysz(阳极)|ysz(固体电解质膜)|lsm(阴极)为结构的管式膜反应器的阳极腔(φ内＝9.0mm)中，在阳、阴极表面缠绕银丝作为电流引导线，并刷制一定量的银浆作为电流收集器，以覆盖住电极为佳，然后，在阳极腔管口塞少量石英棉固定住碳材料，将填有碳材料的管口用银浆密封，并将银丝置留于管外。将封装好的电化学脱硝反应器置于电炉中，升温至800℃当向阴极侧通入nox(1500ppm)流速为53.0ml/min时，nox在lsm阴极表面的电化学脱硝效率最高达96.93％，外部电压为0.082v；当nox(1500ppm)流速为150.0ml/min时，nox在lsm阴极表面的电化学脱硝效率最高达89.14％，外部电压为0.12v。

实施例2：称取炭黑1.0g(sbet＝95.6m²/g)，在90℃条件下烘干1h。将烘干后的炭黑装填入ni-ysz(阳极)|ysz(固体电解质膜)|lsm(阴极)为结构的管式膜反应器的阳极腔(φ内＝9.0mm)中。在阳、阴极表面缠绕银丝作为电流引导线，并刷制一定量的银浆作为电流收集器，以覆盖住电极为佳。然后，在阳极腔管口塞少量石英棉固定住碳材料，将填有碳材料的管口用银浆密封，并将银丝置留于管外。将封装好的电化学脱硝反应器置于电炉中，升温至800℃，当向阴极侧通入nox(1500ppm)流速为50.0ml/min时，nox在lsm阴极表面的电化学脱硝效率最高达97.65％，外部电压为0.094v；当nox(1500ppm)流速为150.0ml/min时，nox在lsm阴极表面的电化学脱硝效率最高达63.75％，，外部电压为0.15v。

实施例3：称取上述准备好fe³⁺处理过的炭黑(fe³⁺/c)1.0g(比表面积97.7m²/g)，在90℃条件下烘干1h。将烘干后的活性炭装填入ni-ysz(阳极)|ysz(固体电解质膜)|lsm(阴极)为结构的管式膜反应器的阳极腔(φ内＝9.0mm)中。在阳、阴极表面缠绕银丝作为电流引导线，并刷制一定量的银浆作为电流收集器，以覆盖住电极为佳。然后，在阳极腔管口塞少量石英棉固定住碳材料，将填有碳材料的管口用银浆密封，并将银丝置留于管外。将封装好的电化学脱硝反应器置于电炉中，升温至800℃，当向阴极侧通入nox(1500ppm)流速为50.0ml/min时，nox在lsm阴极表面的电化学脱硝效率最高达98.54％，外部电压为0.10v；当nox(1500ppm)流速为150.0ml/min时，nox在lsm阴极表面的电化学脱硝效率最高达82.74％，外部电压为0.17v。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。