一种用于丙烷催化燃烧消除的催化剂及制备和应用的制作方法

本发明涉及催化燃烧环境保护技术领域，特别涉及到一种用于丙烷低温催化燃烧消除的锰基催化剂及其制备方法，并提供了一种用于完全催化燃烧消除环境中易挥发性有机污染物的方法。

背景技术：

VOCs是形成夏季光化学烟雾、城市灰霾的主要成分，具有毒性危害人类健康。工业排放如化工厂排出的工艺尾气、废弃物焚烧的烟气中产生大量VOCs；随着机动车保有量的逐年增加，机动车尾气（PM（微粒、碳烟））、CO、NOx 和HC（碳氢化合物）已成为空气的主要污染源之一。随着国家环保法律法规对VOCs大气污染物排放有了更高的控制要求，对现有的VOCs治理技术有了更高的挑战。针对于处理大气量、中高浓度的VOCs（1000mg/m³-10000 mg/m³）废气，蓄热式催化燃烧技术是一种较为成熟的方法。然而蓄热式催化燃烧技术催化剂使用的是贵金属铂、钯等贵金属催化剂，仍存在价格相对比较昂贵、贵金属易烧结、易流失，催化剂易中毒，投入成本高，这些缺点限制了其使用范围。开发价格低廉、结构稳定、活性较高的催化剂成为HC 催化燃烧亟待解决的问题。金属氧化物尤其是过渡金属氧化物由于其价格低廉且结构相对稳定常常被用作催化燃烧的催化剂。金属氧化物MnOx中锰具有丰富的价态，具有很强的储放氧能力，对于烃类的催化完全氧化表现出了一定的活性，然而其起燃温度相对较高，因此试图通过掺杂其他提高其催化性能是目前相关研究者很关心的议题。为克服现有技术得不足，本发明提供一种用于丙烷催化燃烧的催化剂及其制备方法和应用。

钛掺杂的MnOx表面暴露出丰富的活性位点，有效的降低了丙烷燃烧的起燃温度，在300^oC左右，丙烷可以完全燃烧，其工作温度适用于蓄热式催化燃烧设备。本发明成本低廉，催化剂活性较高，适用于中高浓度的VOCs催化燃烧。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明提供一种丙烷催化燃烧消除的催化剂及制备方法和应用。

一种用于丙烷催化燃烧消除的催化剂的制备方法，其特征在于，利用四价钛掺杂氧化锰的方式获得较高的活性，其制备步骤包括：

（1）将0.6mol/L的葡萄糖水溶液常温搅拌均匀后放入聚四氟乙烯内衬的水热晶化釜，晶化温度为180℃，反应5h获得沉淀；用去离子水和95%乙醇清洗至滤液为无色，过滤出所得沉淀并烘干即制得碳纳米球；

（2）将0.08g碳纳米球分散至0.01~0.05mol/L聚乙烯吡咯烷酮的水溶液中记为第一分散液，逐滴滴入0.1mol/L高锰酸钾水溶液以及质量百分比为0.2%硫酸钛水溶液，常温搅拌混合均匀后放入聚四氟乙烯内衬的水热晶化釜，晶化温度为160℃，反应1h获得沉淀；洗涤、过滤出所得沉淀并烘干，得到弱晶化的钛掺杂的氧化锰；

（3）将弱晶化钛掺杂的氧化锰在氮气保护气氛下晶化3h获得钛掺杂的MnOx。

步骤（2）中聚乙烯吡咯烷酮与碳纳米球的质量比1：6；步骤（2）中高锰酸钾与碳纳米球的质量比10：0.1；步骤（2）硫酸钛与碳纳米球的质量比1：1。

步骤（2）中，所述第一分散液中碳纳米球的质量百分比为0.6%；聚乙烯吡咯烷酮的质量百分比为0.1%；所述高锰酸钾水溶液的浓度为0.1mol/L；硫酸钛溶液的质量百分比为0.2%；步骤（3）中，所述晶化温度为300℃。

一种用于丙烷催化燃烧消除的催化剂，其特征在于，根据上述任一所述方法制备得到。

一种用于丙烷催化燃烧消除的催化剂的应用。

经研究发现钛掺杂的MnOx催化剂有效的降低了丙烷燃烧的起燃温度，在300^oC左右，丙烷可以完全燃烧，其工作温度适用于蓄热式催化燃烧设备。

附图说明

图1为实施例1 Ti-MnOx的丙烷氧化过程反应温度与丙烷转化率测试曲线；图2为实施例2 Fe-MnOx丙烷氧化过程中反应温度与丙烷转化率测试曲线；图3为实施例3 Mg-MnOx丙烷氧化过程反应温度与丙烷转化率测试曲线。

具体实施方式

以下实例结合附图用于更详细地说明本发明，但本发明并不限于此。

用于丙烷催化燃烧的所有催化剂活性评价在固定床微反应器（内径8mm 石英，长250mm）中进行，催化剂的用量为100mg，温度采用K 型热电偶自动控制。标准钢瓶气经配气系统与空气混合进入反应器进行燃烧。流量采用质量流量计控制，丙烷的浓度为0.1vol%，每克催化剂每小时处理的废气量为30L。主要反应产物为二氧化碳和水。

实施例1：

将0.6mol/L的葡萄糖水溶液常温搅拌均匀后放入聚四氟乙烯内衬的水热晶化釜，晶化温度为180℃，反应5h获得沉淀。用去离子水和95%乙醇清洗至滤液为无色，过滤出所得沉淀并烘干即制得碳纳米球。将碳纳米球与0.05mol/L聚乙烯吡咯烷酮的水溶液、0.1mol/L高锰酸钾水溶液以及质量百分比为0.2%硫酸钛水溶液常温搅拌混合均匀后放入聚四氟乙烯内衬的水热晶化釜，晶化温度为160℃，反应1h获得沉淀；洗涤、过滤出所得沉淀并烘干，得到弱晶化的钛掺杂的氧化锰。将弱晶化钛掺杂的氧化锰在氮气保护气氛下晶化温度300℃，晶化3h获得钛掺杂的MnOx。下表中T_10%、T_50%、T_90% 分别为转化率达到10%、50%、90% 时所需的反应温度。

实施例2：

将0.6mol/L的葡萄糖水溶液常温搅拌均匀后放入聚四氟乙烯内衬的水热晶化釜，晶化温度为180℃，反应5h获得沉淀。用去离子水和95%乙醇清洗至滤液为无色，过滤出所得沉淀并烘干即制得碳纳米球。将碳纳米球与0.05mol/L聚乙烯吡咯烷酮的水溶液、0.1mol/L高锰酸钾水溶液以及1mol/L硫酸铁水溶液常温搅拌混合均匀后放入聚四氟乙烯内衬的水热晶化釜，晶化温度为160℃，反应1h获得沉淀；洗涤、过滤出所得沉淀并烘干，得到弱晶化的铁掺杂的氧化锰。将弱晶化铁掺杂的氧化锰在氮气保护气氛下晶化温度300℃，晶化3h获得铁掺杂的MnOx。

实施例3：

将0.6mol/L的葡萄糖水溶液常温搅拌均匀后放入聚四氟乙烯内衬的水热晶化釜，晶化温度为180℃，反应5h获得沉淀。用去离子水和95%乙醇清洗至滤液为无色，过滤出所得沉淀并烘干即制得碳纳米球。将碳纳米球与0.05mol/L聚乙烯吡咯烷酮的水溶液、0.1mol/L高锰酸钾水溶液以及1mol/L硫酸镁水溶液常温搅拌混合均匀后放入聚四氟乙烯内衬的水热晶化釜，晶化温度为160℃，反应1h获得沉淀；洗涤、过滤出所得沉淀并烘干，得到弱晶化的镁掺杂的氧化锰。将弱晶化镁掺杂的氧化锰在氮气保护气氛下晶化温度300℃，晶化3h获得镁掺杂的MnOx。