脫除揮發性有機化合物的板狀催化劑及其製造方法暨應用的製作方法

2023-05-13 06:00:31

脫除揮發性有機化合物的板狀催化劑及其製造方法暨應用的製作方法
【專利摘要】一種脫除揮發性有機化合物的板狀催化劑及其製造方法暨應用。其是將銅金屬鹽、錳金屬鹽、二氧化鈦、粘土、無機纖維以及水捏拌混合成催化劑材料後，利用輥軋步驟將催化劑材料形成於金屬網上，並經熱處理製程，以形成脫除揮發性有機化合物的板狀催化劑。
【專利說明】脫除揮發性有機化合物的板狀催化劑及其製造方法暨應用
【技術領域】
[0001]本發明是有關於一種催化劑，且特別是有關於一種脫除揮發性有機化合物的板狀催化劑及其製造方法暨應用。
【背景技術】
[0002]近年來，在一貫作業鋼廠或燒結工廠中等工業，廢氣中常會有揮發性有機化合物(Volatile Organic Compounds, VOCs)的存在,揮發性有機化合物會對於人體以及其它生物均有毒害，故會造成環境的汙染。伴隨著環保意識的高漲，工業必須肩負其社會責任，因此在廢氣排放前，必須進行脫除VOCs的作業。
[0003]為清除VOCs，已知技術發展出利用貴金屬作為主要活性中心的脫除VOCs的催化齊U。然而，貴金屬索價不斐，為求降低成本，目前業界嘗試利用過渡金屬作為活性中心，發展脫除VOCs的催化劑。
[0004]已知過渡金屬催化劑主要是將含有過渡金屬的水溶液，以含浸或共沉澱的方式，形成在蜂巢狀與顆粒狀擔體或基材上而製得。然而，此製程存在下列缺點，首先，利用含浸或共沉澱等方式製備催化劑時，活性成份需於水溶液中耗費較長的時間才能沉澱於擔體或基材表面。上述製程會產生大量廢液，對環境再度造成汙染。
[0005]其次，由於一貫作業的鋼廠所產生的廢氣夾帶有粉塵，在通過已知蜂巢狀或顆粒狀的催化劑時，一方面，粉塵會衝擊蜂巢狀或顆粒狀的催化劑，造成過渡金屬的剝落，影響脫除VOCs的效果。另一方面，則因粉塵會累積在蜂巢狀或顆粒狀催化劑之間，使得廢氣不易流經蜂巢狀或顆粒狀的催化劑，造成巨大壓差，而迫使作業停擺。
[0006]有鑑於此，亟需提出一種脫除VOCs的催化劑及其製造方法，藉以改善已知催化劑所引起的種種問題。

【發明內容】

[0007]因此，本發明的一個方面是提供一種脫除VOCs的板狀催化劑的製造方法，其是將銅金屬鹽、錳金屬鹽、二氧化鈦、粘土、無機纖維以及水捏拌混合成催化劑材料後，利用輥軋步驟將催化劑材料形成於金屬網上，並經熱處理製程，以形成脫除VOCs的板狀催化劑。由於此製造方法不需要於水溶液中配置，可減少廢水的排放以及製程所需時間，因此可改善已知脫除VOCs的催化劑配製過程所引起的種種問題。
[0008]本發明的另一方面則是提供一種脫除VOCs的板狀催化劑，其是利用上述方法製得。
[0009]本發明的又一方面則是在提供一種脫除VOCs的方法，其特徵在於此板狀催化劑可脫除廢氣中至少95%的苯、二甲苯或甲苯。
[0010]根據本發明的上述方面，提供一種脫除VOCs的板狀催化劑的製造方法。在一實施例中，此方法包含提供催化劑材料，其中上述的催化劑材料至少包含銅金屬鹽、錳金屬鹽、二氧化鈦、粘土、無機纖維以及水，但不含釩、鎢以及鑰。然後，將催化劑材料以輥軋步驟形成於金屬網的至少一面，以形成板狀催化劑基材。接著，對板狀催化劑基材進行熱處理製程，以形成脫除VOCs的板狀催化劑，上述的板狀催化劑是用於脫除苯、二甲苯或甲苯以及上述的任意組合。
[0011]依據本發明一實施例，上述的催化劑材料包含20.3重量百分比至27.6重量百分比的銅金屬鹽、20.2重量百分比至28.6重量百分比的錳金屬鹽、33.6重量百分比至46.3重量百分比的二氧化鈦、2.1重量百分比至4.1重量百分比的粘土、4.1重量百分比至9.5重量百分比的無機纖維以及6.8重量百分比至18重量百分比的水。
[0012]依據本發明一實施例，上述的催化劑材料包含21.7重量百分比至26.2重量百分比的銅金屬鹽、21.5重量百分比至25.4重量百分比的錳金屬鹽、35.4重量百分比至43.1重量百分比的二氧化鈦、2.1重量百分比至4.1重量百分比的粘土、4.3重量百分比至9.3重量百分比的無機纖維以及7.1重量百分比至14重量百分比的水。
[0013]依據本發明一實施例，上述的銅金屬鹽可包括但不限於硝酸銅、醋酸銅及其任意組合。
[0014]依據本發明一實施例，上述的錳金屬鹽可包括但不限於硝酸錳、醋酸錳及其任意組合。
[0015]依據本發明一實施例，上述的銅與錳的原子比是1:1至1:5.5。在另一實施例中，上述的銅與錳的原子比是1:1至1:2。
[0016]依據本發明一實施例，上述的粘土的材料為含鋁的矽氧化物。在另一實施例中，上述的無機纖維的材料為氧化矽。在又一實施例中，上述的金屬網的材質為不鏽鋼。
[0017]依據本發明一實施例，上述的熱處理製程是包含乾燥步驟以及煅燒步驟。在一例示中，上述的乾燥步驟的溫度是100至150°C。在另一例示中，上述的煅燒步驟的溫度是300至 500。。。
[0018]根據本發明的另一方面，提供一種脫除VOCs的板狀催化劑，其是利用上述的方法製得。
[0019]根據本發明的其它方面，提供一種脫除VOCs的方法，其特徵在於此板狀催化劑可脫除廢氣中至少95%的苯、二甲苯或甲苯。
[0020]關於本發明的脫除VOCs的板狀催化劑及其製造方法暨應用，其是將催化劑材料經捏拌混合後，再經熱處理製程而製得脫除VOCs的板狀催化劑。由於此製造方法不需要於水溶液中配置，可減少廢水的排放以及製程所需時間。此外，本發明的製作方法所得的板狀催化劑可脫除廢氣中至少95%的苯、二甲苯或甲苯。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]為讓本發明的上述和其它目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附附圖的說明如下:
[0022]圖1是繪示依照本發明的一實施方式的一種脫除VOCs的板狀催化劑的製造方法的流程圖；
[0023]圖2是根據本發明一實施例的催化劑脫除VOCs能力的測試系統的部分示意圖；
[0024]圖3是繪示本發明一實施例的催化劑於不同反應溫度對於VOCs的脫除效率；
[0025]其中，主要元件符號說明:[0026]100:方法110:提供金屬網的步驟
[0027]130:進行捏拌步驟形成催化劑材料的步驟
[0028]150:利用輥軋步驟將催化劑材料形成於金屬網的至少一面的步驟
[0029]170:進行熱處理製程形成脫除VOCs的板狀催化劑的步驟
[0030]200:系統201:顆粒狀催化劑
[0031]205:石英玻璃反應管207:反應器
[0032]209:溫度控制器211:V0Cs加熱瓶
[0033]213:緩衝瓶215:低溫收集瓶
[0034]217:氣相色層分析儀219a:入口端
[0035]219b:出口端221:氮氣源
[0036]223:空氣源225a/225b/225c/225d:管線
[0037]227:加熱裝置
【具體實施方式】
[0038]承前所述，本發明提供一種脫除VOC`s的板狀催化劑及其製造方法暨應用，其是利用輥軋步驟將催化劑材料形成於金屬網的至少一面，再經熱處理製程，以形成脫除VOCs的板狀催化劑。
[0039]催化劑材料
[0040]本發明的催化劑材料是以過渡金屬作為活性中心。申言之，在一實施例中，本發明的催化劑材料至少包含銅金屬鹽、錳金屬鹽、二氧化鈦、粘土、無機纖維以及水，但不含釩、鎢以及鑰。
[0041]在一實施例中，此催化劑材料包含20.3重量百分比至27.6重量百分比的銅金屬鹽、20.2重量百分比至28.6重量百分比的猛金屬鹽、33.6重量百分比至46.3重量百分比的二氧化鈦、2.1重量百分比至4.1重量百分比的粘土、4.1重量百分比至9.5重量百分比的無機纖維以及6.8重量百分比至18重量百分比的水。
[0042]在一實施例中，此催化劑材料包含21.7重量百分比至26.2重量百分比的銅金屬鹽、21.5重量百分比至25.4重量百分比的錳金屬鹽、35.4重量百分比至43.1重量百分比的二氧化鈦、2.1重量百分比至4.1重量百分比的粘土、4.3重量百分比至9.3重量百分比的無機纖維以及7.1重量百分比至14重量百分比的水。
[0043]在一例示中，上述的銅金屬鹽與錳金屬鹽是作為活性中心。在另一例示中，上述的二氧化鈦則為載體，使活性中心可附著於載體之上。在又一例示中，上述的粘土是作為結合劑，使催化劑材料可被輥軋於金屬網上，上述的無機纖維則用以增加催化劑材料附著於金屬網的強度。
[0044]在一例示中，上述的銅金屬鹽可包括但不限於硝酸銅、醋酸銅及其任意組合。在另一例示中，上述的錳金屬鹽可包括但不限於硝酸錳、醋酸錳及其任意組合。
[0045]在一實施例中，上述的銅金屬鹽與錳金屬鹽分別具有2至4個結晶水。
[0046]在一實施例中，上述的銅與錳的原子比是特定比例。在一例示中，上述的銅與錳的原子比是1:1至1:5.5。在另一例示中，上述的銅與錳的原子比是1:1至1:2。
[0047]在一實施例中，上述的粘土的材料為含鋁的矽氧化物。在另一實施例中，上述的無機纖維的材料為氧化矽。
[0048]脫除VOCs的板狀催化劑的製造方法
[0049]請參照圖1，其是繪示依照本發明的一實施例的脫除VOCs的板狀催化劑的製造方法的流程示意圖。
[0050]首先，如步驟110所示，提供金屬網。在一實施例中，金屬網的材質可包括但不限於不鏽鋼。
[0051]接著，如步驟130所示，將催化劑材料進行捏拌步驟，其中催化劑材料如前所載，不另贅述。在一實施例中，依序先將二氧化鈦、銅金屬鹽以及少量的水置於捏拌裝置中，進行捏拌I至3小時。然後，將錳金屬鹽與少量的水混合後，再加入捏拌裝置，進行捏拌I至3小時。隨後，將無機纖維加入捏拌裝置，進行捏拌2至4小時。隨之，將粘土加入捏拌裝置，進行捏拌2至4小時，以形成催化劑材料。
[0052]再者，如步驟150所示，將上述的催化劑材料利用輥軋步驟形成於金屬網，以形成板狀催化劑基材，其中每單位面積(cm2)的催化劑材料的塗布量為0.1克至0.15克。
[0053]隨後，如步驟170所示，將板狀催化劑基材進行熱處理製程。在一實施例中，上述的熱處理製程是包含乾燥步驟以及煅燒步驟。在一例示中，上述的乾燥步驟的溫度是100至150°c，進行I至3小時。在另一例示中，上述的煅燒步驟的溫度是300至500°C，進行3至5小時。
[0054]值得一提的是，本發明方法的特徵之一是捨棄已知含浸法或共沉澱法，而是將催化劑材料經捏拌混合後，再經熱處理製程，以製得脫除VOCs的板狀催化劑。由於此製造方法不需要於水溶液中配置催化劑，可減少廢水的排放以及製程所需時間。
[0055]脫除VOCs的板狀催化劑的應用
[0056]本發明方法所得的板狀催化劑應用於脫除VOCs時，可脫除廢氣中至少95%的苯、
二甲苯或甲苯等。
[0057]以下列舉數個實施例，藉此更詳盡闡述本發明的脫除VOCs的板狀催化劑及其製造方法，然其並非用以限定本發明，因此本發明的保護範圍當視後附的權利要求書所界定的範圍為準。
[0058]實施例:製備脫除VOCs的板狀催化劑
[0059]實施例1
[0060]此實施例是依序先將543克二氧化鈦、324克硝酸銅以及少量的水置於捏拌裝置中，進行捏拌I至3小時，以形成第一團料。然後，將325克硝酸錳與少量的水混合後，再加入捏拌裝置與第一團料混合，進行捏拌I至3小時，以形成第二團料。隨後，將143克無機纖維加入捏拌裝置，進行捏拌2至4小時。隨之，將45克粘土加入捏拌裝置，進行捏拌2至4小時，以形成催化劑材料，其中催化劑材料的水含量為220克。
[0061]接著，將團料狀的催化劑材料利用例如塗覆滾輪塗覆於不鏽鋼金屬網上，以形成板狀催化劑基材。
[0062]然後，將板狀催化劑基材進行熱處理，進行乾燥步驟，於100至150°C的溫度進行I至3小時，再進行煅燒步驟，於300至500°C的溫度進行3至5小時，以形成脫除VOCs的板狀催化劑。
[0063]之後，刮除金屬網上的脫除VOCs催化劑，以形成顆粒狀的脫除VOCs催化劑，做為活性測試使用。
[0064]實施例2至8
[0065]同實施例1的脫除VOCs催化劑的製作方法，不同處在於實施例2至8是改變成份的使用量以及熱處理的溫度與時間，其配方如表I所示。
[0066]評價方式
[0067]1.催化劑脫除VOCs能力的測試系統
[0068]將模擬工業製程的含有VOCs煙道尾氣(以下簡稱反應氣體)通入圖2的催化劑脫除VOCs能力的測試系統中，以評估上述實施例1至8對VOCs的脫除效率、以及反應溫度對催化劑脫除VOCs效率的評估。
[0069]請參閱圖2，其是繪示根據本發明一實施例的催化劑脫除VOCs能力的測試系統的部分示意圖。此催化劑脫除VOCs能力的測試系統200包括管狀石英玻璃反應管205、反應器207、溫度控制器209、VOCs加熱瓶211、緩衝瓶213、低溫收集瓶215以及氣相色層分析儀 217。
[0070]進行脫除VOCs能力的測試時，首先將總重I克(g)的脫除VOCs的顆粒狀催化劑201，置於長55釐米、直徑2.0釐米的石英玻璃反應管205中，催化劑填充高度為約6.0釐米，再將裝有上述的顆粒狀催化劑201的石英玻璃反應管205置於反應器207 (加熱器)中，測試實施例1至8脫除VOCs能力。
[0071]前述的溫度控制器209是連接至反應器207，以控制反應器207中的反應溫度。前述的石英玻璃反應管205具有入口端219a及出口端219b，其中入口端219a經由管線225a是連接至緩衝瓶213。緩衝瓶213經由管線225b是連接至VOCs加熱瓶211，其中VOCs加熱瓶211用以容置有機化合物。
[0072]氮氣源221經由管線225c可提供VOCs加熱瓶211所需的氣體。空氣源223由管線225d可提供緩衝瓶213所需的氣體。
[0073]在進行測試前，先將VOCs加熱瓶211加熱，以使VOCs (例如苯、甲苯、二甲苯)揮發成氣體，再由氮氣源221的氮氣經由管線225c與VOCs氣體混合，以形成第一氣體。再將第一氣體經由管線225b進入緩衝瓶213，並且由空氣源223的空氣經由管線225d與第一氣體在緩衝瓶213內混合成反應氣體。其中管線225b是以加熱裝置227包覆，用以保持管線225b的溫度。
[0074]進行測試時，將緩衝瓶213內的反應氣體經由管線225a導入石英玻璃反應管205中，以進行催化劑脫除VOCs反應，其中管線225a是以加熱裝置227包覆，用以保持管線225a的溫度。
[0075]在進行催化劑脫除VOCs測試時，反應溫度是由室溫緩慢升溫至預定的反應溫度，並在此反應溫度下進行催化劑對VOCs的脫除反應。
[0076]前述的出口端21%連接至低溫收集瓶215，用以冷卻反應後的氣體及吸附多餘的水氣。另外，反應器207的出口端219b處的低溫收集瓶215是連接至氣相色層分析儀217，例如附有火焰離子化偵測器(flame ionization detector ；FID)的氣相色層分析儀(gaschromatography ；GC) (Model N0.6890 ；Agilent),以取樣檢測反應物及產物中 VOCs 的濃度，並與進料時未反應的VOCs的濃度進行比對，由此計算出催化劑對VOCs的脫除效率。
[0077]上述反應氣體的組成為1、體積百分比(vol%)的VOCs, 500ppm的二氧化硫以及2.7~3vol%的水氣，氣體空間流量為SOOOhr-1，反應溫度為300°C至325°C，反應時間為4小時。
[0078]2.評估催化劑脫除VOCs的效率
[0079]關於催化劑對VOCs的脫除效率是根據下式(I)的定義:
[0080]
【權利要求】
1.一種脫除揮發性有機化合物的板狀催化劑的製造方法，包含: 提供一催化劑材料，其中所述催化劑材料至少包含銅金屬鹽、錳金屬鹽、二氧化鈦、粘土、無機纖維以及水，但不含釩、鎢以及鑰； 將所述催化劑材料以一輥軋步驟形成於一金屬網的至少一面，以形成一板狀催化劑基材， 對該所述板狀催化劑基材進行一熱處理製程，以形成一脫除揮發性有機化合物的板狀催化劑，其中所述板狀催化劑是用於脫除苯、二甲苯、甲苯以及上述的任意組合所組成的一族群。
2.如權利要求1所述的脫除揮發性有機化合物的板狀催化劑的製造方法，其中所述催化劑材料包含20.3重量百分比至27.6重量百分比的銅金屬鹽、20.2重量百分比至28.6重量百分比的錳金屬鹽、33.6重量百分比至46.3重量百分比的二氧化鈦、2.1重量百分比至4.1重量百分比的粘土、4.1重量百分比至9.5重量百分比的無機纖維以及6.8重量百分比至18重量百分比的水。
3.如權利要求1所述的脫除揮發性有機化合物的板狀催化劑的製造方法，其中所述催化劑材料包含21.7重量百分比至26.2重量百分比的銅金屬鹽、21.5重量百分比至25.4重量百分比的錳金屬鹽、35.4重量百分比至43.1重量百分比的二氧化鈦、2.1重量百分比至4.1重量百分比的粘土、4.3重量百分比至9.3重量百分比的無機纖維以及7.1重量百分比至14重量百分比的水。
4.如權利要求1所述的脫除揮發性有機化合物的板狀催化劑的製造方法，其中所述銅金屬鹽是選自於由硝酸銅、醋酸銅以及上述的任意組合所組成的一族群。
5.如權利要求1所述的脫除揮發性有機化合物的板狀催化劑的製造方法，其中所述錳金屬鹽是選自於由硝酸錳、醋酸`錳以及上述的任意組合所組成的一族群。
6.如權利要求1所述的脫除揮發性有機化合物的板狀催化劑的製造方法，其中所述銅金屬鹽的銅與所述錳金屬鹽的錳的原子比是1:1至1:5.5。
7.如權利要求1所述的脫除揮發性有機化合物的板狀催化劑的製造方法，其中所述銅金屬鹽的銅與所述錳金屬鹽的錳的原子比是1:1至1:2。
8.如權利要求1所述的脫除揮發性有機化合物的板狀催化劑的製造方法，其中所述粘土的材料為含鋁的矽氧化物。
9.如權利要求1所述的脫除揮發性有機化合物的板狀催化劑的製造方法，其中所述無機纖維的材料為氧化矽。
10.如權利要求1所述的脫除揮發性有機化合物的板狀催化劑的製造方法，其中所述金屬網的材質為不鏽鋼。
11.如權利要求1所述的脫除揮發性有機化合物的板狀催化劑的製造方法，其中所述熱處理製程是包含一乾燥步驟以及一煅燒步驟。
12.如權利要求11所述的脫除揮發性有機化合物的板狀催化劑的製造方法，其中所述乾燥步驟的溫度是100至150°C。
13.如權利要求11所述的脫除揮發性有機化合物的板狀催化劑的製造方法，其中所述煅燒步驟的溫度是300至500°C。
14.一種脫除揮發性有機化合物的板狀催化劑，其是根據權利要求1至13任一項的方法而製得。
15.一種脫除除揮發性有機化合物的方法，其特徵在於利用權利要求14所述的脫除揮發性有機化合物的板狀催化劑對於苯、二甲苯或甲苯的脫除率大於95%。
【文檔編號】B01D53/86GK103721723SQ201210568637
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年12月25日 優先權日:2012年10月12日
【發明者】陳吉良, 楊其偉, 黃新喜 申請人:中國鋼鐵股份有限公司