利用重金属有机混合污泥制备炭基复合过渡金属催化剂应用于NOX低温催化还原的基础研究

This project is aimed to prepare efficient low-temperature NOxSCR catalysts via recycling typical industrial heavy metal sludge and organic sludge. Generally, the efficient low-temperature NO-SCR catalyst is predicated to be formed by regulating and controlling the sludge mixture and pyrolysis processes, and is characterized by its rich surface acid oxygen functional groups and porous carbon base loaded with multiple metal oxides. Its synthesis tactic is integrated with the technologies of sludge component matching, metal component matching, forming process and physical chemistry pretreatment during sludge mixture and pyrolysis. Specifically, through the component and structure characteristics of sludge catalyst, removal efficiency of catalysis application in low-temperature NOxSCR and characteristics of reacted product system, this project is focused on exploring characteristics of pore structure of catalyst carbon base, surface functional groups, optimization matching of multiple metal oxides loading and microstructure coupling. Their effects will be discussed on promoting NO-C main reaction mechanisms including NO decomposition chemical adsorption, metal-NO oxidation and metal oxide reduction. At the same time, their effects will also be studied on effective inhibition of O2-C side effects. After all, a theoretical system will be formed on the synthesis of efficient low-temperature NO-SCR catalyst with rich surface functional groups and porous carbon base loaded with multiple heavy metal oxides from a sludge mixture with electroplating sludge as the leading component. The achievements of this project are potential to be applied in electroplating and industrial sludge recycling, and other industrial pollutant adsorption or catalytic degradation.

本课题以典型工业重金属、有机混合污泥制备低温高效NOxSCR催化剂资源化利用为目标，按照调控混合污泥热解形成富表面含氧官能团、多孔炭基负载多元金属催化材料应用于低温高效NOx SCR选择催化还原的构想，以混合污泥体系热解制备过程的污泥组分匹配、金属组分匹配、形成历程、物理化学预处理等技术集成为手段，通过污泥热解衍生催化剂的组分结构特征、催化剂应用过程的NOx SCR低温转化效率和反应产物的系统研究，重点探究催化剂炭基孔结构特征、表面官能团、多元金属负载的优化匹配及微结构耦合对于NO分解化学吸附、金属-NO氧化、金属氧化物还原等NO-C主反应的促进机制和O2-C副反应的有效抑制机制，初步形成电镀污泥为主导的混合污泥制备富有表面官能团的多孔炭基负载多元重金属NO-SCR低温高效催化剂的理论体系，期待研究成果应用于电镀污泥及工业污泥的资源化利用，并延伸应用于其它工业污染物的吸附、催化或降解过程。

本课题以重金属污泥制备低温高效 NOxSCR 催化剂资源化利用为目标，以重金属污泥作为调控对象，以炭基负载多元过渡金属催化剂作为理论体系，以混合污泥热解制备过程的污泥组分匹配、金属组分匹配、形成历程、物理化学预处理等技术集成为手段，重点研究了重金属污泥衍生催化剂组分、结构优化对于NO催化性能的决定作用，并得到以下重要结论：水洗酸浸沉淀预处理方法可以调整重金属污泥组分结构，由此得到的污泥前驱体衍生催化剂具有更高的脱硝催化性能；混合污泥衍生脱硝催化剂具有炭基负载复合过渡金属结构，在150-700ºC具有稳定高效的脱硝性能；有机废水特别是苯酚类废水及污泥改性的电镀污泥衍生催化剂结构有利于提升脱硝性能，催化剂在200 oC低温下对990 ppm NO的去除率由4%提升至50%。优化后电镀污泥活化产物具有高脱硝性能的原因是产生了复合过渡金属负载石墨烯类结构；通过调控污泥衍生催化剂表面官能团发现，羧酸基团在NO低温催化还原过程中起主要作用，而酸酐基团和C-Fe-O基团协同促进NO中温催化还原；通过比较实际重金属污泥、过渡金属负载多元金属以及金属-有机物络合催化剂在结构、脱硝性能上的差异发现，重金属污泥中的金属-有机物预络合结构是形成高效脱硝催化剂的关键。在机理上，重金属污泥衍生催化剂具有多种脱硝途径，主要包括依靠重金属作为催化中心、碳作为还原剂分解途径，官能团或官能团协同重金属作为催化中心的分解途径，以及形成高活性气相有机物及自由基的分解途径。本项目共发表SCI论文13篇，累积影响因子68.017，其中包括EST等一区论文6篇，二区论文4篇，申请专利6项，其中授权3项。本课题实现了重金属污泥的高附加值资源化，并为NO的去除提供了一种新方法，本课题的研究成果可以延伸应用于其它工业污染物的吸附、催化或降解过程。