Cu-SSZ-13用于NH...性还原NO_x实验教学设计_张周.pdf
《Cu-SSZ-13用于NH...性还原NO_x实验教学设计_张周.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《Cu-SSZ-13用于NH...性还原NO_x实验教学设计_张周.pdf(5页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、 实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 10 期 2023 年 10 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.10 Oct.2023 收稿日期:2023-05-18 基金项目:江苏省高等教育教改研究重点项目(2021JSJG098);江南大学实验室管理专项(JDSYS202228);江南大学本科教育教学改革研究项目(JG2021096、JG2021122)作者简介:张周(1990),男,安徽池州,硕士,实验师,主要研究方向为环境污染控制技术及实验教学,。通信作者:赵明星(1982),男,江苏苏州,博士,教授,主要从事环境污染
2、物治理方面研究,。引文格式:张周,谢利娟,滕跃,等.Cu-SSZ-13 用于 NH3选择性还原 NOx实验教学设计J.实验技术与管理,2023,40(10):206-210.Cite this article:ZHANG Z,XIE L J,TENG Y,et al.Experimental teaching design of Cu-SSZ-13 for the selective catalytic reduction of NOx with NH3J.Experimental Technology and Management,2023,40(10):206-210.(in Chines
3、e)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.10.031 Cu-SSZ-13 用于 NH3选择性还原 NOx实验教学设计 张 周,谢利娟,滕 跃,赵明星(江南大学 环境与土木工程学院,江苏 无锡 214122)摘 要:以柴油车尾气氮氧化物(NOx)净化处理为研究主题,结合氨气(NH3)选择性催化还原 NOx技术(NH3-SCR)理论及研究成果,进行了 Cu-SSZ-13 用于 NH3选择性还原 NOx综合实验设计。实验采用液相离子交换法得到三种不同 Cu 负载量的 Cux-SSZ-13 催化剂,并对其进行了物理表征和催化活性评价。
4、实验结果表明,不同 Cu 负载的催化剂均具有较高的结晶度,且分子筛载体结构变化不大;Cu3.9-SSZ-13 催化剂在 200500 范围内 NOx转化率均高于 90%,N2选择性高于 98.5%,催化剂活性最优。该实验将技术研究热点与教学实践环节相结合,有助于培养学生的综合实验技能和科研素养。关键词:选择性催化还原;Cu-SSZ-13;NOx去除;教学设计 中图分类号:X734.2 文献标识码:A 文章编号:1002-4956(2023)10-0206-05 Experimental teaching design of Cu-SSZ-13 for the selective catalyt
5、ic reduction of NOx with NH3 ZHANG Zhou,XIE Lijuan,TENG Yue,ZHAO Mingxing(School of Environmental and Civil Engineering,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)Abstract:Taking nitrogen oxide purification treatment as the research theme,combined with the theory and previous results of ammonia gas selec
6、tive catalytic NOx technology(NH3-SCR).The comprehensive experiments of NH3-SCR over Cu-SSZ-13 catalyst was designed.Three Cux-SSZ-13 catalysts with different Cu loading were prepared by liquid-phase ion exchange method.Physical characterization and catalytic activity of three catalysts were evaluat
7、ed.The results showed that the catalysts with different Cu loading possess high crystallinity.There was little change on the structure of the molecular sieve carrier.Cu3.9-SSZ-13 catalyst showed the best performance.NOx conversion was higher than 90%and N2 selectivity was higher than 98.5%in the ran
8、ge of 200500.This experiment organically combined research hotspots and basic teaching practice,which is helpful for cultivating comprehensive experimental skills and scientific research literacy of students.Key words:selective catalytic reduction;Cu-SSZ-13;NOx removal;teaching design 截至 2022 年,我国已经
9、连续 14 年为世界机动车产销第一大国,全国机动车保有量达 4.17 亿辆,机动车尾气已成为造成空气污染的重要因素。2021 年,全国机动车四项污染物排放总量为 1 557.7 万吨,汽车排放的四项污染物占比超过 90%,其中柴油车的氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)排放量分别为 502.1 万吨和 6.4 万吨,占汽车排放总量的 88.3%和 99%以上1。柴油车尾气NOx控制成为解决机动车大气环境污染问题的关键。目前,NOx催化分解技术、NOx储存-还原技术(NSR)和选择性催化还原 NOx技术(SCR)是汽车尾气 NOx净化的主要技术2-3。SCR 技术又可分为碳 张 周,等:Cu-SS
10、Z-13 用于 NH3选择性还原 NOx实验教学设计 207 氢化合物选择性催化还原 NOx技术(HC-SCR)和 NH3选择性催化还原 NOx技术(NH3-SCR)4。SCR 技术的核心是开发具有优异催化性能的催化剂。传统钒钨钛催化剂和新型非钒催化剂存在生物毒性、N2选择性差、水热稳定性不足等问题,而 Chabazite(CHA)结构的铜基小孔分子筛催化剂(Cu-SSZ-13)由于其催化活性高、水热稳定性好、抗碳氢化合物(HCs)中毒能力强等特点应用范围越来越广5-6。大气污染控制工程是环境工程专业本科教学的一门专业核心课程,本文将机动车尾气 NOx控制这一学科热点问题融入本科生大气污染控制
11、工程实验,设计了综合性实验项目Cu-SSZ-13 用于 NH3选择性还原 NOx实验。通过此实验项目的开设,能够使学生将理论知识与实践相结合,掌握大型分析仪器的常规操作,发挥主观能动性,促进实践能力提升。1 实验设计 1.1 实验目的(1)了解机动车尾气污染物的组成和排放情况。(2)理解选择性催化还原去除 NOx的原理和特点。(3)了解 NH3-SCR 常用催化剂类型及制备方法。(4)掌握 Cu 基小分子筛催化剂制备方法及反应机理。(5)掌握电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)、X 射线衍射仪、红外光谱仪等大型测试分析仪器的常规操作方法。1.2 实验原理 NH3-SCR 是指在氧气存在
12、条件下抑制 NH3的非选择性氧化反应,使其与 NOx发生还原反应生成 N2的技术,商业化的 SCR 技术可以将 60%90%的 NOx转化为无污染的 N27。在实际的机动车尾气处理中会发生多种化学反应:4NH3+4NO+O2 4N2+6H2O 2NH3+NO+NO2 2N2+3H2O 4NH3+3NO2 3.5N2+6H2O 当 SCR 系统中温度达 400 以上时,容易发生以下副反应使催化剂活性降低,并产生其他污染物8:4NH3+5O2 4NO+6H2O 4NH3+4NO+3O2 4N2O+6H2O 分子筛类催化剂相比传统催化剂优势明显,更适用于柴油车尾气脱硝9。本实验采用液相离子交换法制备
13、不同 Cu 负载的 Cux-SSZ-13 催化剂,利用自行搭建的多气路固定床连续系统,将含有一定 NH3和 NOx浓度的模拟废气通入催化剂中,调整反应温度,利用红外光谱仪测定催化剂在不同温度下的NOx转化率和N2选择性。通过 Cux-SSZ-13 催化剂 NH3-SCR 催化效果的测定和数据处理,可加深学生对机动车尾气 NOx催化净化技术的理解。1.3 实验安排 环境工程专业培养目标之一是要求学生能够针对环境工程领域某一特定复杂工程或科学问题,基于科学原理有针对性地提出科学研究方案10。大气污染控制工程实验的项目设置围绕该培养目标,在实验实施的整个阶段分别对教师和学生的基本任务和分组情况提出要
14、求,如表 1 所示。在课前,主要针对 Cu-SSZ-13用于NH3选择性还原NOx的相关研究进行文献查阅和讨论交流,并形成实验预习报告。在课中,安排 812个学时,分两周次进行,第 1 次主要完成催化剂的制备,第 2 次首先完成 NH3-SCR 活性测试,并利用实验等待时间完成催化剂理化特性测试。应根据实验耗时、大型仪器操作等具体情况进行分组,尽可能保证每位学生都能够亲手进行实际操作,掌握催化剂制备和大型仪器常规分析操作方法。在课后,要求分组对实验数据进行分析和讨论,完成实验报告撰写等工作。教师应根据学生课前、课中和课后的表现,对学生进行综合成绩评定,并根据实验过程中出现的问题及时进行总结和持
15、续改进11。表 1 实验设计及实施过程 实验阶段 教学目标 教师任务 学生任务 分组情况 课前 加深对大气污染物控制的基本原理和方法的认识;掌握文献检索技能 布置实验任务 实验用品准备 实验仪器介绍 查阅相关文献 分组交流讨论 实验预习报告 12 人/组 催化剂制备 34 人/组 催化剂理化特性测试 12 人/组 课中 熟练掌握仪器设备的操作方法,培养独立自主的实验意识及分析问题、解决问题能力 对学生的基础实验操作、大型仪器分析测试、数据处理等环节进行监督和评价 NH3-SCR 活性测试 34 人/组 课后 培养独立思考、数据分析、报告撰写等综合素养 实验成绩评定 总结及持续改进 分组讨论 实
16、验报告 12 人/组 208 实 验 技 术 与 管 理 2 实验材料与方法 2.1 实验材料及设备 实验药剂及测试设备。实验所需药剂主要有SSZ-13 载体、硫酸铜(CuSO4)、盐酸(HCl)、硝酸(HNO3)、氢氟酸(HF)、硼酸(H3BO3)。涉及的主要设备有马弗炉(上海一恒 SX2-5-12N)、磁力搅拌水浴锅(杭州旌斐)、电热恒温水浴锅(上海博讯 HHS-11-2)、ICP-OES(PerkinElmer Optima 8300)、X 射线衍射仪(德国布鲁克 AXS D8VENTURE 型)、傅立叶变换红外光谱仪(日本岛津 IR Tracer-100)自行搭建多气路固定床连续反应系
17、统。实验采用自行搭建的多气路固定床连续反应系统,系统流程简图如图 1 所示。该系统主要包括配气系统、反应系统和分析检测系统。配气系统主要由 N2、O2、NO 和 NH3气瓶及 4 个质量流量控制器和一个气体混合器组成。反应系统主体部分由带保温层的管式加热炉和内径为6 mm 的石英管组成,加热炉采用电阻外加热,温度监测点位于石英管内部催化剂固定处,加热温度和升温速率等参数由可编程温控程序控制。分析检测系统主要为 2.4 m 光程气体池的红外光谱仪。系统各部分均经过漏气检测,气密性良好。图 1 多气路固定床连续反应系统流程简图 2.2 催化剂制备 催化剂采用液相离子交换法制备。称取 3 份已去除模
18、板剂的 SSZ-13 载体样品各 1 g,分别置于 100 mL不同浓度的 CuSO4溶液(0.05 mol/L、0.1 mol/L 和0.15 mol/L)中 80 水浴搅拌 2 h,过滤、洗涤后放在马弗炉中 600 焙烧 6 h,得到不同 Cu 负载量的Cux-SSZ-13 催化剂。2.3 样品消解 测试之前采用 HNO3、HCl 和 HF 将样品进行消解处理。具体操作如下:打开水浴锅调至 90,称取25.00 mg 催化剂样品,放入 15 mL 离心管中,离心管中加入 3 mL 混合酸(HNO3HCl=51),将离心管放入水浴锅中水浴 2 h,混合酸颜色变淡后拿出离心管冷却至室温,加入
19、1 mL HF,摇至沉淀消失,加入 1 mL饱和 H3BO3后用超纯水定容至 25 mL,稀释 10 倍后过膜进行元素测定。2.4 催化剂表征 元素分析。采用 ICP-OES 测定催化剂中 Cu、Si和 Al 的含量。根据标准曲线对催化剂中的元素含量进行定量计算,标准曲线由单元素标准溶液(国家有色金属及电子材料分析测试中心)配制。粉末 X 射线衍射(XRD)。采用 X 射线衍射仪测定催化剂的衍射图谱,测试过程中采用 Cu K 为辐射源,=0.154 06 nm,扫描范围为 540,扫描速度为5/min12。2.5 催化剂活性评价 NH3-SCR 反应的活性评价条件为:5 vol.%O2,500
20、 ppm NO,500 ppm NH3,N2为平衡气,气体总流量为 500 mL/min,反应温度控制在 150550。采用 50 mg 催化剂进行催化活性评价时,计算反应空速(GHSV)约为 400 000 h1,不同反应空速通过调节催化剂用量来实现。在催化剂活性评价过程中,NO、NH3、N2O 和 NO2的浓度均由配有 2.4 m 光程气体池的 IR Tracer-100 测得,实验中每个数据点均在反应达到稳态后进行三次采集。NH3-SCR 反应中的 NOx转化率和 N2选择性采用如下公式进行计算13:out 2 out xin 2 in(NO)(NO)NO conversion1100%
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- Cu SSZ 13 用于 NH 还原 NO_x 实验教学 设计
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。