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应用于笑气分解的整体式催化剂的研究
中文摘要：本文首先基于Beta、MCM-49、ZSM-5、FER、MOR等五种不同构型沸石分子筛，应用液相离子交换法对其进行改性，制备出了Fe、Co两种金属离子改性的沸石分子筛。接着以堇青石为载体，通过一步涂覆法和两步涂覆法制备了Beta等一系列的整体式沸石分子筛催化剂，并分别对制得的整体式催化剂进行了N2O直接催化分解的活性评价，而且还对其进行了SEM（扫描电子显微镜）表征来进行进一步分析。最后可得如下的结论：（1）两步涂覆法中Fe、Co改性的Beta、MCM-49、ZSM-5、FER、MOR分子筛中，对于N2O直接分解催化活性最高的为Co-Beta，Fe-Beta次之。（2）相同金属离子改性的不同构型整体式沸石分子筛对N2O直接分解存在较大的活性差异，其中Beta分子筛具有明显优势，表明了分子筛的构型对N2O催化分解会产生巨大的影响。（3）一步涂覆法中对于Fe-Beta的整体式催化剂的制备宜选用铝溶胶作为粘结剂，上胶量为5%。而对于Co-Beta的整体式催化剂的制备宜选用硅溶胶作为粘结剂，上胶量同样为5%。（4）整体式催化剂的制备过程中的粘结剂的选用和分子筛的构型有关，且粘结剂的量应适宜，过多或过少都不好。（5）通过SEM表征可以看到应用一步法制备的整体式催化剂要比两步法制备的在分子筛的涂覆上要更加致密，效果更好。（6）最后在经过SEM表征、活性评价、经济效益、制备难易程度综合分析后得出一步涂覆法整体上要优于两步涂覆法。
关键词：整体式沸石分子筛， 堇青石， Beta， N2O催化分解
I
The Research of monolithic catalysts applied to the nitrous
oxide decomposition
Abstract：Firstly, based Beta, MCM-49, ZSM-5, FER and MOR which are five different configurations of zeolite, and by the application of liquid ion exchange modification, we prepare a series of zeolite that are modification by Fe ion exchange and Co ion exchange. Then based cordierite Beta monolithic zeolite catalyst are prepared by the one-step of washcoating method and two-step washcoating and do the activity evaluation experiment of the direct catalytic decomposition of N2O . And in this experiment, the monolithic zeolite catalyst also were characterized by means of SEM characterization for further analysis. Finally, we can get the following
conclusions: (1) In two-step washcoating method the Co-Beta and Fe-Beta monolithic zeolite catalyst have the highest catalytic activity for the direct catalytic decomposition of N2O. (2) The monolithic zeolite catalyst of the different configurations but the same metal ion exchange has a big difference for the direct catalytic decomposition of N2O and the Beta zeolite has obvious advantages . (3) In one-step washcoating method the Fe-Beta monolithic zeolite catalyst should be prepared by using aluminum sol as a binder with 5% of the amount of glue. Preparation of Co-Beta monolithic zeolite catalyst should use silica sol as a binder with 5% of the amount of glue. (4)The selection of the binder in preparation of monolithic catalysts is related with the configuration of the zeolite, and the amount of the binder should be appropriate, too much or too little is not good. (5) From sem image we can see the zeolite coated to be more compact from one-step washcoating method than two-step washcoating method.(6) At last after the analysis in SEM characterization,activity evaluation , economic benefits and the preparation of the degree of difficulty, we can draw the conclusions that one-step washcoating method is better than two-step washcoating method.
Keywords: Monolithic catalyst，Cordierite，Beta，Catalytic
decomposition of nitrous oxide
II
第1章 前言
一氧化二氮是一种主要的温室气体，它的直接排放也可导致酸雨的产生，它是一种严重污染大气环境的气体。N2O的主要来源是人类的工业生产活动，其中己二酸尾气中含有大量的N2O，而全球N2O总排放量的10％就来自于这里。所以，探讨如何治理来自于人类活动中所产生的N2O将具有十分重要的工业和环境意义。
现阶段处理N2O的方法有四种，分别是催化分解法、热分解法、还原焰处理法和将N2O作为氧化剂来生产化学品等四个方法。其中，最常见的是催化分解法。所以，本课题选用了最为常见的催化分解法为切入点，进行了笑气处理的研究，希望通过本课题的研究寻找到用于笑气直接分解的优良催化剂。
通过查阅相关文献了解到，经过多年的探索，科学工作者们已经发现用于催化N2O分解反应的催化剂大致可以分为以下几类：（1）分子筛催化剂；（2）水滑石热分解产物催化剂；（3）稀土氧化物和氧化物；（4）复合金属氧化物。众多的相关文献都已表明，对于N2O分解较好的是以分子筛为载体的催化剂。
整体式催化剂（monolithic catalysts）是由狭窄的平行通道整齐排列的一体化催化剂，也被称为“蜂窝状催化剂”。由于整体式催化剂具有床层压降较低，催化效率高，放大效应小的优势，近年来已被广泛应用于许多化学领域，如NO选择性催化还原（SCR）挥发性有机化合物的催化燃烧以及一些有机合成的多相反应，成为今天多相催化领域最具发展潜力的研究方向之一。
所以，本课题将整体式分子筛催化剂作为研究N2O催化分解的主要研究对象。通过查阅相关文献，获得了最新的整体式分子筛制备及改性的技术，并将其应用于本课题N2O分解的实验研究中。本课题基于Beta、MCM-49、ZSM-5、FER、MOR等几种分子筛催化材料，以堇青石为载体，采用了液相离子交换法制备了一系列金属改性的整体式分子筛催化剂来用于N2O的直接催化分解，以实验活性评价和SEM表征技术手段相结合的方式，系统的研究了不同整体式催化剂对N2O直接催化分解的影响，这些实验结果对于整体式分子筛催化剂催化N2O直接分解的进一步研究都起到了重要的意义。
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第2章 文献综述
第2．1节 N2O的危害及工业排放概况
一氧化氮，化学式为N2O，一种无色的并具有甜味的气体，俗称笑气。笑气的熔点为-90.8℃，沸点为-88.49℃，临界温度为36.5℃，相对密度1.977，N2O的结构是直线型排布，氮、氧原子采取sp杂化，生成两个σ键。笑气是一种氧化剂，支持燃烧。不过它在室温下稳定，并具有轻微的麻醉效果（在医学上可作为麻醉剂），并能引起人们发笑，在水、乙醚、乙醇、浓硫酸中具有很好的可溶性。
N2O处在大气的平流层中，经过来自于阳光中的紫外线辐射可以分解为NO，同时会和臭氧反应，导致大气中的臭氧水平较低，是一个主要的温室气体。它在温室气体中的含量仅次于二氧化碳和甲烷。它在大气中的浓度每增加一倍，从N2O这里导致的温室效应就可使全球变暖0.3℃，是同浓度二氧化碳产生效果的100倍[1-4]。此外，N2O可以被分解成氮氧化物，而这些氮氧化合物经过化学反应可以形成硝酸，最终导致酸雨的形成。据调查，1900年大气中的N2O浓度达到310ppb，每年约以0.2％至0.3％的速率在增加[1,4]，而全球N2O每年排放量约为2.2×107吨。因此，一氧化氮是一个严重污染环境的气体之一。
自然和人类活动是一氧化二氮来源的主要两个方面。由于土壤和作物的性质，会导致释放一部分的一氧化二氮。但是经过化工厂化学过程而排放的副产品则是一氧化二氮的主要产生源，其中己二酸尾气和汽车尾气的排放就会产生大量的N2O。而全球N2O总排放量的10％就来自于己二酸尾气。
因为N2O是严重的环境污染物，它会导致气候变暖和环境污染，所以如果能够实现己二酸的N2O尾气的治理问题，那么将具有十分重要的工业和环境意义。
第2．2节 N2O处理方法
现阶段处理N2O的方法有四种，分别是催化分解法、热分解法、还原焰处理法和将N2O作为氧化剂来生产化学品等四个方法。其中，最常见的是催化分解法。将N2O作为氧化剂是美国的Solutia公司和俄罗斯的Boreskov催化剂研究所（BIC）共同开发的应用N2O来一步氧化苯生产苯酚，而正是己二酸厂中排放的尾气提供了氧化剂N2O，这里能够很好的将N2O利用起来。但单纯的靠这种
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