石化丙烯腈尾气催化燃烧净化的高N2选择性分子筛催化剂设计

The applied proposal focuses on catalytic removal of nitrile gases including acrylonitrile, acetonitrile, and HCN coming from the acrylonitrile plant in petrochemical industry. A series of zeolite catalysts for selectively catalytic combustion of these nitriles would be achieved based on active component screening, topological control, and acid/base adjustment. The pore structure, specific surface area, Si/Al ratio, diversity and status of active component were investigated. Reaction mechanism was studied by experimental FTIR and TPD techniques as well as theoretical molecular simulation. The correlation among textural properties, composition, nitrile removal efficiency, and selectivity towards N2 was clarified. The economical and environmental benefit on this post-treatment technology was evaluated aiming at its practical application.

本项目基于石化丙烯腈生产过程中所释放的含氰工艺废气尚未得到根本治理的现状而申请，尝试借助选择性催化燃烧的手段，实现废气中丙烯腈、乙腈、HCN等污染物的净化脱除。拟通过活性组分配伍、拓扑结构的调控、酸性调变，制备出一系列孔径尺度的分子筛催化剂；研究其孔结构、比表面积、硅铝比、表面活性组分的分散度及电子价态；采用红外、程序升温等表面敏感技术，辅以分子模拟手段，认知反应机理；明确织构特性、组成配方与含氰废气的脱除效率以及CN-→N2选择性间的关系；继而，对废气净化技术的经济和环境效益进行综合分析；为其产业化推广奠定理论基础。

本项目针对工业丙烯腈装置尾气的排放特征，开发了分子筛体系（超微孔分子筛、介孔分子筛等）的晶貌控制合成新工艺，并探索离子交换、浸渍、化学气相沉积、骨架同晶取代等策略引入活性组分，制备了一系列分子筛型催化剂用于丙烯腈选择性催化燃烧，考察不同分子筛孔道尺寸对丙烯腈脱除效果的影响。研究发现：离子交换和气相沉积有利于活性组分引入，具有适中微孔的ZSM-5构型有利于反应及扩散行为的耦合，而SSZ-13等超微孔结构不利于丙烯腈反应物分子的扩散。通过红外、程序升温等谱学表征，辅以分子模拟手段，明晰丙烯腈在催化剂上反应的微观氧化/水解复合机制，揭示分子筛拓扑结构-酸性-活性组分-废气净化效能间的内在必然，作为改良设计的指导原则，获得综合性能优异（低温活性理想、活性温度窗口宽、具有一定耐硫耐水能力）的Cu/ZSM-5（硅铝比为30）分子筛型脱除丙烯腈催化剂，N2选择性高达95%以上。探索了催化剂的成型工艺及组成配方，提升耐硫、耐水中毒能力，创制了含氰废气一段式催化治理的新工艺，为工业含氰废气脱除催化剂的研发提供理论和实验基础。