一種尾氣淨化材料、其製備方法及尾氣淨化裝置與流程

2023-11-09 21:46:47

本發明涉及一種尾氣淨化領域，且特別涉及一種尾氣淨化材料、其製備方法及尾氣淨化裝置。
背景技術：
：汽車排出的CO、HC和NOx等有害氣體往往通過氧化和還原作用轉變為無害的二氧化碳、水和氮氣再排入大氣。當高溫的有害氣體氣通過淨化裝置時，淨化裝置中的淨化劑將增強CO、HC和NOx三種氣體的活性，促使其進行一定的氧化-還原化學反應，其中CO在高溫下氧化成為無色、無毒的二氧化碳氣體；HC化合物在高溫下氧化成水(H2O)和二氧化碳；NOx還原成氮氣和氧氣。三種有害氣體變成無害氣體，使廢氣得以淨化。淨化劑由載體和催化劑組成。載體一般由三氧化二鋁或微孔陶瓷製成，其形狀有球形、多稜體形和網狀隔板等。催化劑用的是金屬鉑、銠、鈀等。將其中一種噴塗在載體上，就構成了淨化劑。由於採用貴金屬做催化劑價格很高，並且催化劑是顆粒狀噴塗於載體表面，催化劑有效面積小、用量大，造成成本居高不下。由於催化劑的載體一般由三氧化二鋁或微孔陶瓷製成，載體的孔隙率不高，比表面積不大，孔隙尺度在微米級。這使得廢氣中的細小顆粒排放，造成環境汙染。技術實現要素：本發明的第一目的在於提供一種尾氣淨化材料，此尾氣淨化材料具有較高的孔隙率和比表面積，對尾氣的淨化效率高。本發明的第二目的在於提供一種尾氣淨化材料的製備方法，以製備具有較高淨化效率的尾氣淨化材料。本發明的第三目的在於提供一種尾氣淨化裝置，此尾氣淨化裝置具有較低的成本和較高的尾氣淨化率。本發明解決其技術問題是採用以下技術方案來實現的。本發明提出一種尾氣淨化材料，其包含納米孔隙材料和金屬催化劑，金屬催化劑分布於納米孔隙材料中，納米孔隙材料為氣凝膠、幹凝膠或凍凝膠，金屬催化劑包括鉑、銠、銥、鈀、銅、錳中的至少一種或含有鉑、銠、銥、鈀、銅、錳中至少一種的合金。本發明提出一種尾氣淨化材料的製備方法，其包括：製備包含金屬催化劑的絡合物或溶液或金屬催化劑的納米級或微米級顆粒；製備納米孔隙材料的初始溶液，並將包含金屬催化劑的絡合物或溶液或金屬催化劑的納米級或微米級顆粒加入至納米孔隙材料的初始溶液中，混勻，靜置得到初始凝膠；以及對初始凝膠進行陳化、溶劑置換、親水或疏水處理之後，經過乾燥得到尾氣淨化材料。本發明還提供一種尾氣淨化裝置，其包括上述尾氣淨化材料。本發明實施例的尾氣淨化材料、製備方法及尾氣淨化裝置的有益效果是：利用納米孔隙材料比表面積大、高孔隙率、耐高溫、納米尺度孔隙的特點，將催化劑與納米孔隙材料的初始溶液預混合再製成的尾氣淨化材料。主要成分為搭載催化劑的納米孔隙材料，其過濾效果好，催化效率高。將尾氣淨化材料設置於尾氣淨化裝置，使尾氣淨化裝置具有更好的尾氣淨化效果。具體實施方式為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。實施例中未註明具體條件者，按照常規條件或製造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未註明生產廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規產品。下面對本發明實施例的尾氣淨化材料及製備方法進行具體說明。一種尾氣淨化材料，包括作為載體的納米孔隙材料和分布於納米孔隙材料的金屬催化劑，納米孔隙材料為氣凝膠、幹凝膠或凍凝膠，金屬催化劑包括鉑、銠、銥、鈀、銅、錳中的至少一種或含有鉑、銠、銥、鈀、銅、錳中至少一種的合金。納米孔隙材料和金屬催化劑的體積比為100～20000:1。納米孔隙材料具有孔洞，孔洞的尺度為3nm～500nm。尾氣淨化材料可以為催化劑的納米級或微米級顆粒與製備納米孔隙材料的初始溶液混合製備而成；尾氣淨化材料也可以是通過將包含金屬催化劑的絡合物或溶液與製備納米孔隙材料的初始溶液混合製備而成，比如鉑的甲基乙烯基矽氧烷配位絡合物、鉑-四氫呋喃絡合物、鉑的鄰苯二甲酸二乙酯配位絡合物、鉑的乙烯基矽氧烷絡合物、氯鉑酸-辛醇絡合物或氯鉑酸的異丙醇溶液。納米孔隙材料可以是非金屬氧化物氣凝膠、非金屬氧化物幹凝膠、非金屬氧化物凍凝膠、金屬氧化物氣凝膠、金屬氧化物幹凝膠、金屬氧化物凍凝膠、有機氣凝膠、有機幹凝膠、有機凍凝膠，碳氣凝膠、碳幹凝膠、碳凍凝膠、有機/無機複合氣凝膠、有機/無機複合幹凝膠、有機/無機複合凍凝膠、無機/無機複合氣凝膠、無機/無機複合幹凝膠或無機/無機複合凍凝膠中的一種。本發明實施例提供的尾氣淨化材料包含納米孔隙材料，因此具有較大的比表面積，較高的孔隙率，汽車尾氣中的顆粒可以被有效地吸附。汽車尾氣中的CO、HC和NOx等有害氣體可以在納米孔隙材料中的金屬催化物催化作用下變為無害氣體，且催化效率高。尾氣淨化材料的製備方法包括以下步驟：S1：製備包含金屬催化劑的絡合物或溶液或金屬催化劑的納米級或微米級顆粒。金屬催化劑可以是鉑、銠、銥、鈀、銅、錳中的至少一種或含有鉑、銠、銥、鈀、銅、錳中至少一種的合金。金屬催化劑的絡合物或溶液可由上述金屬的鹽溶液或酸溶液與有機溶劑混合製得，具體方法見後文的實施例。S2：製備納米孔隙材料的初始溶液，具體的：在反應容器內按重量比1～5:1加入正矽酸四乙脂與乙醇，再加入水和適量鹽酸，加熱至55℃～65℃，攪拌25～35分鐘，冷卻至20℃～25℃，加入氨水調整pH值到4～7，得到納米孔隙材料的初始溶液。製備氧化鈦氣凝膠，氧化鋁氣凝膠、氧化鋯氣凝膠的時，用對應的鈦酸脂、鋁酸酯、鋯酸脂替代如上述的正矽酸四乙脂，按照相應常規工藝製備初始溶液。另一優選的方法為：將適量的甲醛和間苯二酚以1～2：2～3比例混合，以無水碳酸鈉為催化劑，再加入三次去離子水，在氬氣保護下攪拌混合均勻，得到納米孔隙材料的初始溶液。S3：再向納米孔隙材料的初始溶液加入包含金屬催化劑的絡合物或溶液或金屬催化劑的納米級或微米級顆粒，繼續攪拌混合10～20分鐘，靜置，得到初始凝膠。S4：對初始凝膠進行陳化、溶劑置換、疏水處理之後，根據需要進行乾燥以及碳化操作，得到尾氣淨化材料。具體的：將上述初始凝膠逐一浸泡於乙醇、庚烷、氯矽烷中，每次浸泡時間24～30小時。取出初始凝膠放置於梯度減壓加熱乾燥箱中，由壓力60000～90000帕開始逐步減壓至常壓，同時溫度由20℃～25℃逐步升溫至230℃～260℃，全部過程共24～30小時，每個小時調整溫度壓力一次，每次調整總變化量的1/24～1/30，得到尾氣淨化材料。以下結合實施例對本發明的特徵和性能作進一步的詳細描述。實施例1製備甲基乙烯基矽氧烷配位的鉑絡合物：在附有回流冷凝器，溫度計的反應裝置中，加入32gH2PtCl·6H2O及210g(Me2ViSi)2O，在常壓及120℃回流1h，冷卻後濾去黑色沉澱(鉑黑)並將淺灰色酸性溶液用蒸餾水洗至中性(除去含氯的酸性副產物)而後加入無水CaCl2乾燥，濾出CaCl2後，得到含鉑2.2％及含氯0.43％的甲基乙烯基矽氧烷配位的鉑絡合物催化劑備用。二氧化矽氣凝膠的初始溶液的製備：在反應容器內加入正矽酸四乙脂150g、無水乙醇60g與適量水混合，再加入適量鹽酸，加熱至60℃，攪拌30分鐘，冷卻至25℃，加入氨水調整pH值到5.5，得到二氧化矽氣凝膠的初始溶液。在二氧化矽氣凝膠的初始溶液中立即加入上述製備的鉑絡合物催化劑，繼續攪拌混合15分鐘，靜置，得到初始凝膠。將得到的初始凝膠逐一浸泡於乙醇、庚烷、氯矽烷中，每次浸泡時間24小時；取出初始凝膠放置於梯度減壓加熱乾燥箱中，由壓力70000帕開始逐步減壓至10000帕，同時溫度由25℃逐步升溫至250℃，全部過程24小時，每個小時調整溫度壓力一次，每次調整總變化量的1/24。得到含鉑催化劑的氣凝膠，即為尾氣淨化材料。實施例2製備甲基乙烯基矽氧烷配位的鉑絡合物：在附有回流冷凝器，溫度計的反應裝置中，加入32gH2PtCl·6H2O及210g(Me2ViSi)2O，在常壓及120℃回流1h，冷卻後濾去黑色沉澱(鉑黑)並將淺灰色酸性溶液用蒸餾水洗至中性(除去含氯的酸性副產物)而後加入無水CaCl2乾燥，濾出CaCl2後，得到含鉑2.2％及含氯0.43％的甲基乙烯基矽氧烷配位的鉑絡合物催化劑備用。二氧化矽氣凝膠的初始溶液的製備：在反應容器內加入正矽酸四乙脂150g、無水乙醇150g與適量水混合，再加入適量鹽酸，加熱至60℃，攪拌35分鐘，冷卻至25℃，加入氨水調整pH值到5.5，得到二氧化矽氣凝膠的初始溶液。在二氧化矽氣凝膠的初始溶液中立即加入上述製備的鉑絡合物催化劑，繼續攪拌混合20分鐘，靜置，得到初始凝膠。將得到的初始凝膠逐一浸泡於乙醇、庚烷、氯矽烷中，每次浸泡時間28小時；取出初始凝膠放置於梯度減壓加熱乾燥箱中，由壓力80000帕開始逐步減壓至10000帕，同時溫度由25℃逐步升溫至250℃，全部過程28小時，每個小時調整溫度壓力一次，每次調整總變化量的1/28。得到含鉑催化劑的氣凝膠，即為尾氣淨化材料。實施例3製備氯鉑酸的異丙醇溶液：將適量H2PtCl·6H2O溶於100ml無水異丙醇中，在一定溫度下充分攪拌，使其全溶後靜置一段時間，既得產物，最終為桔黃色溶液。二氧化矽氣凝膠的初始溶液的製備：在反應容器內加入正矽酸四乙脂150g、無水乙醇60g與適量水混合，再加入適量鹽酸，加熱至60℃，攪拌30分鐘，冷卻至25℃，加入氨水調整pH值到5.5，得到二氧化矽氣凝膠的初始溶液。在二氧化矽氣凝膠的初始溶液中立即加入上述製備的氯鉑酸的異丙醇溶液，繼續攪拌混合15分鐘，靜置，得到初始凝膠。將得到的初始凝膠逐一浸泡於乙醇、庚烷、氯矽烷中，每次浸泡時間24小時；取出初始凝膠放置於梯度減壓加熱乾燥箱中，由壓力70000帕開始逐步減壓至10000帕，同時溫度由25℃逐步升溫至250℃，全部過程24小時，每個小時調整溫度壓力一次，每次調整總變化量的1/24。得到含鉑催化劑的氣凝膠，即為尾氣淨化材料。實施例4製備氯鉑酸的異丙醇溶液：將適量H2PtCl·6H2O溶於100ml無水異丙醇中，在一定溫度下充分攪拌，使其全溶後靜置一段時間，既得產物，最終為桔黃色溶液。二氧化矽氣凝膠的初始溶液的製備：在反應容器內加入正矽酸四乙脂150g、無水乙醇150g與適量水混合，再加入適量鹽酸，加熱至60℃，攪拌35分鐘，冷卻至25℃，加入氨水調整pH值到5.5，得到二氧化矽氣凝膠的初始溶液。在二氧化矽氣凝膠的初始溶液中立即加入上述製備的氯鉑酸的異丙醇溶液，繼續攪拌混合20分鐘，靜置，得到初始凝膠。將得到的初始凝膠逐一浸泡於乙醇、庚烷、氯矽烷中，每次浸泡時間24小時；取出初始凝膠放置於梯度減壓加熱乾燥箱中，由壓力80000帕開始逐步減壓至10000帕，同時溫度由25℃逐步升溫至250℃，全部過程28小時，每個小時調整溫度壓力一次，每次調整總變化量的1/28。得到含鉑催化劑的氣凝膠，即為尾氣淨化材料。實施例5製備鉑的鄰苯二甲酸二乙酯配位絡合物：在附有回流冷凝器溫度計的三口瓶中，加入10gH2PtCl·6H2O及200ml無水乙醇，在通乾燥的N2下，升溫至80℃回流2h，然後降溫至40℃，減壓蒸出乙醇，得黃色粘稠物，經氯仿抽提及除去溶劑後，便得固體產物(抽提10次左右)，加入50g鄰苯二甲酸二乙酯溶解固體物，濾去固渣，得到鉑的鄰苯二甲酸二乙酯的配位絡合物。二氧化矽氣凝膠的初始溶液的製備：在反應容器內加入正矽酸四乙脂150g、無水乙醇60g與適量水混合，再加入適量鹽酸，加熱至60℃，攪拌30分鐘，冷卻至25℃，加入氨水調整pH值到5.5，得到二氧化矽氣凝膠的初始溶液。在二氧化矽氣凝膠的初始溶液中立即加入上述製備的鄰苯二甲酸二乙酯配位絡合物，繼續攪拌混合15分鐘，靜置，得到初始凝膠。將得到的初始凝膠逐一浸泡於乙醇、庚烷、氯矽烷中，每次浸泡時間24小時；取出初始凝膠放置於梯度減壓加熱乾燥箱中，由壓力70000帕開始逐步減壓至10000帕，同時溫度由25℃逐步升溫至250℃，全部過程24小時，每個小時調整溫度壓力一次，每次調整總變化量的1/24。得到含鉑催化劑的氣凝膠，即為尾氣淨化材料。實施例6製備鉑的鄰苯二甲酸二乙酯配位絡合物：在附有回流冷凝器溫度計的三口瓶中，加入10gH2PtCl·6H2O及200ml無水乙醇，在通乾燥的N2下，升溫至80℃回流2h，然後降溫至40℃，減壓蒸出乙醇，得黃色粘稠物，經氯仿抽提及除去溶劑後，便得固體產物(抽提10次左右)，加入50g鄰苯二甲酸二乙酯溶解固體物，濾去固渣，得到鉑的鄰苯二甲酸二乙酯的配位絡合物。二氧化矽氣凝膠的初始溶液的製備：在反應容器內加入正矽酸四乙脂150g、無水乙醇150g與適量水混合，再加入適量鹽酸，加熱至60℃，攪拌35分鐘，冷卻至25℃，加入氨水調整pH值到5.5，得到二氧化矽氣凝膠的初始溶液。在二氧化矽氣凝膠的初始溶液中立即加入上述製備的鄰苯二甲酸二乙酯配位絡合物，繼續攪拌混合20分鐘，靜置，得到初始凝膠。將得到的初始凝膠逐一浸泡於乙醇、庚烷、氯矽烷中，每次浸泡時間28小時；取出初始凝膠放置於梯度減壓加熱乾燥箱中，由壓力80000帕開始逐步減壓至10000帕，同時溫度由25℃逐步升溫至250℃，全部過程28小時，每個小時調整溫度壓力一次，每次調整總變化量的1/28。得到含鉑催化劑的氣凝膠，即為尾氣淨化材料。實施例7製備鉑的四氫呋喃絡合物：在附有回流冷凝器及溫度計的反應瓶中，加入10gH2PtCl·6H2O及200ml四氫呋喃，在通N2的情況下回流1h，冷卻後加入Na2SO4乾燥，濾去固體渣狀物，得到鉑的四氫呋喃配位絡合物溶液。二氧化矽氣凝膠的初始溶液的製備：在反應容器內加入正矽酸四乙脂150g、無水乙醇60g與適量水混合，再加入適量鹽酸，加熱至60℃，攪拌30分鐘，冷卻至25℃，加入氨水調整pH值到5.5，得到二氧化矽氣凝膠的初始溶液。在二氧化矽氣凝膠的初始溶液中立即加入上述製備的鉑的四氫呋喃絡合物溶液，繼續攪拌混合15分鐘，靜置，得到初始凝膠。將得到的初始凝膠逐一浸泡於乙醇、庚烷、氯矽烷中，每次浸泡時間24小時；取出初始凝膠放置於梯度減壓加熱乾燥箱中，由壓力70000帕開始逐步減壓至10000帕，同時溫度由25℃逐步升溫至250℃，全部過程24小時，每個小時調整溫度壓力一次，每次調整總變化量的1/24。得到含鉑催化劑的氣凝膠，即為尾氣淨化材料。實施例8製備鉑的四氫呋喃絡合物：在附有回流冷凝器及溫度計的反應瓶中，加入10gH2PtCl·6H2O及200ml四氫呋喃，在通N2的情況下回流1h，冷卻後加入Na2SO4乾燥，濾去固體渣狀物，得到鉑的四氫呋喃配位絡合物溶液。二氧化矽氣凝膠的初始溶液的製備：在反應容器內加入正矽酸四乙脂150g、無水乙醇150g與適量水混合，再加入適量鹽酸，加熱至60℃，攪拌35分鐘，冷卻至25℃，加入氨水調整pH值到5.5，得到二氧化矽氣凝膠的初始溶液。在二氧化矽氣凝膠的初始溶液中立即加入上述製備的鉑的四氫呋喃絡合物溶液，繼續攪拌混合20分鐘，靜置，得到初始凝膠。將得到的初始凝膠逐一浸泡於乙醇、庚烷、氯矽烷中，每次浸泡時間28小時；取出初始凝膠放置於梯度減壓加熱乾燥箱中，由壓力80000帕開始逐步減壓至10000帕，同時溫度由25℃逐步升溫至250℃，全部過程28小時，每個小時調整溫度壓力一次，每次調整總變化量的1/28。得到含鉑催化劑的氣凝膠，即為尾氣淨化材料。實施例9二氧化矽氣凝膠的初始溶液的製備：在反應容器內加入正矽酸四乙脂150g、無水乙醇60g與適量水混合，再加入適量鹽酸，加熱至60℃，攪拌30分鐘，冷卻至25℃，加入氨水調整pH值到5.5，得到二氧化矽氣凝膠的初始溶液。在二氧化矽氣凝膠的初始溶液中立即加入鉑的納米顆粒，繼續攪拌混合15分鐘，靜置，得到初始凝膠。應理解，在本發明的其它實施例中，鉑的納米顆粒也可以是銠、銥、鈀、銅、錳中的至少一種或含有鉑、銠、銥、鈀、銅、錳中至少一種的合金的納米或微米顆粒。將得到的初始凝膠逐一浸泡於乙醇、庚烷、氯矽烷中，每次浸泡時間24小時；取出初始凝膠放置於梯度減壓加熱乾燥箱中，由壓力70000帕開始逐步減壓至10000帕，同時溫度由25℃逐步升溫至250℃，全部過程24小時，每個小時調整溫度壓力一次，每次調整總變化量的1/24。得到含鉑的氣凝膠，即為尾氣淨化材料。實施例10製備氯鉑酸的異丙醇溶液：將適量H2PtCl·6H2O溶於100ml無水異丙醇中，在一定溫度下充分攪拌，使其全溶後靜置一段時間，既得產物，最終為桔黃色溶液。製備有機氣凝膠的初始溶液：將適量的甲醛和間苯二酚以1：2比例混合，以無水碳酸鈉為催化劑，再加入三次去離子水，在氬氣保護下攪拌混合均勻，得到初始溶液。製備有機氣凝膠及其乾燥：在得到的有機氣凝膠的初始溶液中加入上述氯鉑酸的異丙醇溶液，繼續攪拌混合15分鐘，放入入密封容器。在85℃環境中存放7天(陳化)，得到有機氣凝膠。將陳化後得到的有機氣凝膠在3％的乙酸溶液中浸泡l天(酸化)。再以丙酮為溶劑進行溶劑置換，具體的，將酸化後的有機氣凝膠浸泡在丙酮中，浸泡3天，每天換1次丙酮。將溶劑置換後得到有機氣凝膠進行半密封式乾燥，直至有機氣凝膠恆重。碳化操作：將得到乾燥的有機氣凝膠研磨成粉末，在惰性氣體保護下管式爐中碳化。用2h升溫到250℃維持2h，用1h升溫到400℃，用2h升溫到l050℃保持4h，然後自然冷卻降溫，得到黑色的碳氣凝膠粉末，即為尾氣淨化材料。應理解，在其它實施例中，以上部分實施例所用的含有鉑的絡合物或溶液也可以是含有銠、銥、鈀、銅、錳中一種的溶液或絡合物，其中的乾燥或碳化部分可以省略，得到含有金屬催化劑的凍凝膠，從而得到尾氣淨化材料。並且，在其他實施例中，作為金屬催化劑的載體的凝膠可以由其他天然納米孔隙材料或合成納米孔隙材料替換。以下為各實施例所制的尾氣淨化材料應用於尾氣淨化裝置，並安裝至實驗車後，測得的尾氣中NOX、CO和HC的含量。並對不安裝尾氣淨化裝置的實驗車(空白組)和安裝已有的同類尾氣淨化裝置的實驗車(對照組)在同樣的測試環境下測試其尾氣。其結果如表1所示：表1NOX(10-6)CO(％)HC(10-6)空白組21200.9485對照組8000.4240實施例15500.25100實施例25700.28110實施例35000.2595實施例45500.25100實施例55250.26110實施例65300.24120實施例75100.22100實施例85200.23100實施例95900.3130實施例106000.29125由表1可以看出，本發明實施例中各尾氣淨化材料的對尾氣中有害氣體的淨化效果明顯，且均好於已有的同類尾氣淨化材料。綜上所述，本發明實施例所提供的尾氣淨化材料包含納米孔隙材料，因此具有較大的比表面積，較高的孔隙率，汽車尾氣中的顆粒可以被有效地吸附。汽車尾氣中的CO、HC和NOx等有害氣體可以在納米孔隙材料中的金屬催化物催化作用下變為無害氣體，且催化效率高。以上所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。本發明的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本發明的範圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp