一种用于惰性气体纯化的载氧体及其制备和应用

摘要

本发明涉及一种用于惰性气体中还原性气体杂质去除的载氧体材料及其制备方法和应用。载氧体材料组成为AxByCz，其中A为至少一种非贵金属过渡金属氧化物、B为VIIIB族金属或其氧化物，C为La,Zr,Ce其中的一种或几种。上述载氧体材料可以有效脱除惰性气体中杂质气体，包括一氧化碳，氢气，甲烷和硫化氢等还原性气体杂质。上述载氧体具有反应温度低、活性金属组分利用率高、能够一步脱除多种还原性气体杂质。脱除深度可低至1ppm以下。并且制备工艺简单可行，操作方便，易于控制。

权利要求

1.一种用于惰性气体纯化的载氧体，是一种用于去除惰性气体中还原性气体杂质的负载型载氧体材料，载氧体组成为AxByCz，其中A为至少一种非贵金属过渡金属氧化物、B为VIIIB族金属或其氧化物， C金属选自La, Zr, Ce其中的一种或几种；

以混合金属氧化物计并以载氧体为基准，所述载氧体中A金属氧化物含量X为1 65 ~wt%，B金属含量y为0.001 10 wt%，C金属氧化物含量为Z为0.1 10 wt%；其余为载体；

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所述的载氧体制备方法包括以下步骤：a将载氧体AxByCZ所需的一种或多种可溶性金属盐配制成溶液，浸渍所述的载体上，烘干、焙烧；

b.干燥:干燥温度为80 120℃，干燥时间为4 6h；

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d.焙烧：焙烧的温度为300 800℃；焙烧时间为2 10小时。

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2.按照权利要求1所述的载氧体，其特征在于：所述A金属和B金属的摩尔比例为1 10000；

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所述A金属和C金属的摩尔比例为1 400。

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3.按照权利要求1所述的载氧体，其特征在于：所述载氧体的比表面积为50-350 m2/g，孔容为0.1 -0.6 mL/g。

4.按照权利要求1所述的载氧体，其特征在于：所述A金属选自Ni, Co, Mn, Cu, Fe, Mo,其中的一种或几种；

所述B金属选自Ru, Rh, Pd, Pt, Ir,其中的一种或几种。

5.按照权利要求1所述的载氧体，其特征是，载体为氧化铝，氧化硅，氧化锆，氧化钛，氧化镁或者硅铝分子筛中的一种或几种。

6.按照权利要求1所述的载氧体，其特征是，焙烧的温度为400 600℃；焙烧时间为4 8~ ~小时。

7.按照权利要求1所述的载氧体，其特征是：所述的载氧体可以用于在惰性气体中还原性杂质的脱除；还原性气体杂质范围包括但不限于氢气，一氧化碳，甲烷，硫化氢中的一种或二种以上；惰性气体包括氮气、氩气和氦气中的一种或二种以上。

8.按照权利要求1所述载氧体，其特征在于：所述载氧体与杂质的反应温度区间为20~

600oC。

9.按照权利要求1所述载氧体，其特征在于：使用后载氧体的再生可以通过氧气和/或空气氧化再生，再生温度区间150 350oC。

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说明书

一种用于惰性气体纯化的载氧体及其制备和应用

技术领域

[0001] 本发明涉及载氧体，其用于脱除惰性气体中还原性气体杂质，尤其是晶硅炼制过程中氩气尾气杂质的净化。

背景技术

[0002] 随着对可再生清洁能源需要的日益增加，基于太阳能利用的光伏发电行业迎来了迅猛的发展，利用光伏电池发电可以为家庭、办公室等提供必要电力供应，如果进一步并入电网，可以为工业生产提供电力支持。目前大规模应用的光伏电池主要是硅基太阳能电池组件。

[0003] 生产硅基太阳能电子组件的工艺流程的主要原料是晶硅(单晶硅或多晶硅)，而晶硅通过不同的工艺生产单晶硅和多晶硅。例如典型单晶硅在高温条件下(>1000℃),通过直拉法将原料硅锭提炼成单晶硅。在直拉法过程中，为了保证产品的质量，需要使用大量的氩气吹扫，移除提炼过程中从盛料坩埚中产生的各种挥发性杂质。这些杂质主要是一氧化碳(CO),其范围在几千个ppm；氢气，其范围在几十到几百ppm.同时根据使用的真空泵差异，会存在少量的甲烷(CH4)，在几到几十ppm。早期由于氩气需求较小，价格比较低，拉晶过程中的氩气完全采取放空处理。近年，随着光伏行业的急剧发展，氩气需求量急剧增加，价格从早期的每吨几百元上涨至每吨1000～2000元，局部地区甚至更高。在目前典型的直拉法工艺条件下(氩气用量为60～80L/min，维持时间300h),一百台单晶炉的氩气年用量价值接近600万元。晶硅生产成本明显增加，同时光伏企业生产受到氩气供应波动的影响。因此将拉晶过程中的氩气尾气进行纯化回收利用是非常必要的。

[0004] 传统脱除惰性气体中还原性气体杂质的方法是催化氧化的方法，通过在催化过程加入氧气，在一定温度条件下，可以将CO氧化成CO2，H2氧化成H2O，CH4氧化成CO2和H2O，然后通过吸附方法、深冷、或组合的策略进一步去除氧化后的杂质。周智勇等在CN102583281B，CN103373716B公布利用氧气催化氧化的方法脱出氩气中的CO和H2等杂质的工艺，然后再加入H2脱除氧气，结合空分装置低温去除后续的CO2、H2O和H2等杂质。信越半导体株式会社在专利CN107428532A，CN105939961B中也公布用氧气催化氧化的方法脱除氩气尾气中杂质的工艺，其核心是在线检测杂质浓度，然后计量补给氧气进行反应，而没有后续除氧的过程。但这种工艺流程在实际中缺乏可操作性。

[0005] 催化氧化的方法虽然具有反应温度低，效率高等优点，但是不可避免需要额外增加去除氧气的步骤。同时催化氧化的方法整个工艺流程较为复杂，配套设施较多，整体的一次性投资较高。

[0006] 基于化学链燃烧的技术，是利用金属氧化物氧化态(Mo)作为氧载体，在一定温度下与燃料燃烧,燃烧后的还原态金属(MR)利用空气氧化使其恢复载氧能力，从而进行下一次循环。基于载氧体的化学链燃烧技术在电厂的煤炭燃烧领域有广泛应用，这些领域要求载氧体有高的热稳定性(>1000℃),高的载氧能力，良好的抗烧结，优异的循环稳定性。基于载氧体自身的特点，将其用在惰性气体中还原性杂质气体的纯化中，具有明显的优势：1)由于载氧体利用自身携带的氧作为氧源，既保证了在氧化反应中的氧充足，又不会有氧气泄漏到惰性气体中，不需要额外的除氧工艺；2)载氧体再生过程利用空气氧化，工艺配套简单；3)载氧体在通常的还原性杂质气体的燃烧过程中，需要的温度远低于电厂煤炭燃烧的温度。目前的文献和专利中披露一些利用金属氧化物进行气体纯化的方法：例如CN102728366B和CN104338543A公布了利用氧化铜(CuO)作为活性组分，脱出CO杂质的过程，净化后尾气中CO不高于30ppb的结果，原料气的CO浓度为5ppm,空速大约是50h-1。这些金属氧化物的CO容量太低，不适合应用在晶硅行业的氩气尾气净化过程。如CN100381202C，CN101288847A,CN101954283B,CN103406122B等披露了利用氧化铜作为主要活性组分，掺杂其他金属氧化物进行较高浓度的CO脱除的方案，这些金属氧化物CO的脱除率大约在90～98％左右，远不能满足晶硅冶炼中氩气的纯度标准(氩气纯度>99.999％，总杂质含量<
10ppm),同时这些金属氧化物不能有效脱除H2和CH4等杂质。

[0007] 美国专利US2012/0308462A1披露利用载氧体净化晶硅生产中氩气尾气的工艺，氩气中的CO可以从5080ppm脱除到<1ppm,优选的金属氧化物组分为氧化铜，工作温度区间250～400℃,优选400℃。相关专利WO2014/155116A1披露了利用惰性氧化物覆盖金属氧化物载氧体表面，避免载氧体在循环过程中烧结，保持循环稳定的方法。但是利用氧化物覆盖载氧体表面的方法，必然造成载氧体的利率用损失，该专利没有披露载氧体活性组分的利用率。相关专利GB2514809A披露了对不同杂质的开始反应温度：CO(>250℃),H2(>350℃),CH4(>
45O℃)。因此可见现有载氧体在净化晶硅过程中氩气尾气中的杂质，存在脱除工作温度较高，载氧体利用率偏低，脱除杂质性能单一等缺点。

发明内容

[0008] 为解决上述问题，本发明的目的是提供一种载氧体，其用于脱除惰性气体中还原性气体杂质，尤其是晶硅炼制过程中氩气尾气杂质的净化。主要解决以下问题：1)通过助剂掺杂，提高载氧体的抗烧结能力，从而提高载氧体的利用率；2)通过多种活性组分复合，降低载氧体对典型的杂质(H2，CO和CH4)的反应温度区间；3)改进载氧体对多种还原性气体杂质共存时的脱除性能。

[0009] 本发明的目的还在于提供所述载氧体的制备方法，通过合成复合性氧化物活性组分，合理调控相互之间的比例，得到具有更加理想反应性能。并且制备工艺简单可行，操作方便，易于控制。

[0010] 为了达到上述目的，本发明提供了一种有效脱除惰性气体中多组分还原性气体杂质的载氧体材料，其基本组成为AxByCz，其中A为至少一种非贵金属过渡金属氧化物，其中A金属可以选自Fe,Co,Ni,Cu,Mn,Mo的一种或其组合，考虑到反应的动力学和热力学因素，优选Cu及其与其他金属组合。B选自VIIIB族金属或其氧化物，其中B要有较高的裂分H2和对CO较强吸附的能力，可选自Ru,Rh,Pd,Pt,Ir,其中一种或其组合，优选Pt及其与其他金属组合。其中C金属要有较强的抗烧结能力或与A金属有较强的相互作用，可以选择La，Zr，Ce其中一种或几种。

[0011] 为达到上述目的，本发明提供了相应载氧体的制备方法，该方法包括以下步骤：配置A,B和C金属盐的混合水溶液，按照所需的金属负载量，采用浸渍方法，将上述溶液浸渍在惰性氧化物载体上，晾干，烘干并焙烧。

[0012] 根据本发明一些优选的实施方式，在制备载氧体材料过程中，所述载氧体中A金属和B金属的摩尔比例为1～10000；优选100～500；所述A金属和C金属的摩尔比例为1～400，优选50～100。以混合金属氧化物计并以载氧体为基准，A为1～65wt％，优选25～40wt％；B金属含量为0.001-1wt％，C金属氧化物含量为0.1～10wt％。所述催化剂的比表面积为50-350m2/g，孔容为0.1～0.5mL/g；

[0013] 根据本发明一些优选实施方式，载氧体材料制备过程中，A,B和C可溶性金属盐优选但不限于的硝酸盐，具体来讲A的可溶性金属盐可以是Cu(NO3)2,CuCl2,Cu(CH3COOH)2；B的可溶性金属盐可以是H2PtCl6,Pd(NO3)2,PdCl2,C的可溶性金属盐可以是Zr(NO3)4,ZrOCl2,La(NO3)3,Ce(NO3)3；

[0014] 根据本发明一些优选的实施方式，制备过程中所用惰性氧化物载体可以是氧化铝，氧化硅，氧化锆，氧化钛，氧化镁或者硅铝分子筛，优选氧化铝，比表面积为50～300m2/g.孔容为0.1～0.6mL/g。所述载体惰性氧化物进一步包括γ-Al2O3。本领域技术人员根据作业需要，惰性载体可以选择商品化的成型载体，也可以将制备的粉体载氧体研磨、混捏后成型。

[0015] 根据本发明一些优选的实施方式,烘干温度为100～140℃,时间为4～6h。

[0016] 根据本发明一些优选的实施方式,焙烧温度300～800℃，优选400～600℃；焙烧时间为2-10小时，优选4-6小时。

[0017] 根据本发明一些优选的实施方式,制备过程中所述的浸渍法为本领域常规技术手段，本领域技术人员可以根据现场作业需要，选择合适的浸渍方法，如等体积浸渍，过量浸渍或均匀沉淀法。

[0018] 本发明还提供了上述载氧体对惰性气体中纯化的应用。上述载氧体主要针对惰性气体中还原性气体杂质的消除，主要包括不限于H2，CO，CH4,H2S.根据不同需要，可以将相应杂质降低至<1ppm。

[0019] 与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：

[0020] 本发明所述的载氧体具有多种活性成分复合而成，对惰性气体中多种还原性气体同时具有很好的脱除能力，脱除深度可以低至1ppm以下，满足大多数行业对惰性气体纯度的要求。

[0021] 本发明所述载氧体具有更好的抗烧结能力，在较低温度下能表现出较高的金属活性组分利用率。因此成本更加经济。

附图说明

[0022] 图1为载氧体的循环稳定性测试图。

具体实施方式

[0023] 以下通过实施例对本发明的载氧体制备方法和应用进行进一步的详细说明。

[0024] 实施例1

[0025] 将Cu(NO3)水溶液采用等体积浸渍商品化的Al2O3小球(比表面积250m2/g,孔容0.39m2/g，粒径1～2mm)50g。根据所需负载的氧化铜的量，可以多次浸渍。最终得到的固体室温下晾干，在120℃烘干4h,在马弗炉中于450℃焙烧4h，得到载氧体A，其中氧化铜含量为
32.3wt％。

[0026] 实施例2

[0027] 将Cu(NO3)和Zr(NO3)4一起混合，配置所需浓度水溶液，采用等体积浸渍商品化的Al2O3小球50g。根据所需负载的氧化铜和ZrO2的量，可以多次浸渍。最终得到的固体室温下晾干，在120℃烘干4h,在马弗炉中于450℃焙烧4h，得到载氧体B，氧化铜含量为31.2wt％.ZrO2的含量为1.3wt％。

[0028] 实施例3

[0029] 将Cu(NO3)和K2PtCl6一起混合，配置所需浓度水溶液，采用等体积浸渍商品化的Al2O3小球50g。根据所需负载的氧化铜和Pt的量，可以多次浸渍。最终得到的固体室温下晾干，在120℃烘干4h,在马弗炉中于450℃焙烧4h，得到载氧体C，氧化铜含量为30.9wt％.Pt的含量为0.01wt％。

[0030] 实施例4

[0031] 将Cu(NO3),Zr(NO3)4和K2PtCl6一起混合，配置所需浓度水溶液，采用等体积浸渍商品化的Al2O3小球50g。根据所需负载的氧化铜和ZrO2的量，可以多次浸渍。最终得到的固体室温下晾干，在120℃烘干4h,在马弗炉中于450℃焙烧4h，得到载氧体D，以最终载氧体质量为基准，氧化铜含量为30.5wt％.ZrO2的含量为1.3wt％，Pt的含量为0.01wt％。

[0032] 实施例5

[0033] 将Ni(NO3)2替代Cu(NO3)2,其余过程完全与实施例3相同.得到载氧体E，以最终载氧体质量为基准，NiO含量为33.5wt％.ZrO2的含量为1.3wt％，Pt的含量为0.01wt％。

[0034] 实施例6

[0035] 将La(NO3)3替代Zr(NO3)4,其余过程完全与实施例3相同.得到载氧体F，以最终载氧体质量为基准，CuO含量为31.5wt％.La2O3的含量为0.8wt％，Pt的含量为0.02wt％。

[0036] 实施例7

[0037] 将Pd(NO)2替代K2PtCl6,其余过程完全与实施例3相同.得到载氧体G，以最终载氧体质量为基准，CuO含量为30.5wt％,ZrO2的含量为1.3wt％，Pd的含量为0.03wt％。

[0038] 实施例8

[0039] 将Cu(NO3),Zr(NO3)4和Pd(NO3)2一起混合，配置所需浓度水溶液，将一定质量的大孔氧化铝粉末(比表面积290m2/g，孔容0.59mL/g)悬浊液与上述溶液混合，用0.1MNa2CO3水溶液共沉淀，控制pH约为8，沉淀完成后，在150℃老化10h,过滤，洗涤至滤液为中性，最终得到的固体室温下晾干，在120℃烘干4～6h，在马弗炉中与450℃焙烧6h。得到的固体与适量田菁粉混合，并研磨均匀，加入适量PVP和去离子水，成型为球型颗粒，在120℃烘干3h,在马弗炉中于450℃焙烧4h，得到载氧体H,筛分出粒径为1～2mm的颗粒备，CuO含量为33.5wt％.ZrO2的含量为2.6wt％，Pd的含量为0.01wt％。

[0040] 实施例9

[0041] 将Pd(NO)2替代K2PtCl6,其余过程完全与实施例7相同。得到载氧体I,以最终载氧体质量为基准，CuO含量为32.9wt％.ZrO2的含量为1.3wt％，Pd的含量为0.1wt％。

[0042] 实施例10

[0043] 再生循环实验：反应载氧体A或H填装适量在反应管中，设定合适反应温度，反应气为1200ppmCO和500ppmH2,空速为2000h-1,反应至氩气出口中CO或H2任意一种气体浓度高于1ppm,切换反应气至空气，空速为100～500h-1,在初始反应温度下氧化1h。氧化结束后，氩气吹扫10min,切换至反应气进行下一次循环。

[0044] 用实施例1～8的载氧体，进行氩气中杂质脱除实验，在固定床连续流动管式反应器中进行载氧体评价，载氧体填装量为2mL，反应管内径为8mm，填装高度为40mm，载氧体填装后，用高纯氩气在120℃下吹扫5h,物料使用配气，含有CO(1200ppm),H2(500ppm),CH4(50ppm)，氩为平衡气，反应压力为1atm。其中CO，CH4使用气相色谱仪天美7890分析，该气相色谱配有甲烷转化炉和FID检测器，CO检测线为0.1ppm。氢气检测用agilent7890微型色谱,该气相色谱配有TCD检测器，H2检测限为0.6ppm。

[0045] 本领域技术人员容易理解在不脱离上述说明书中公开的材料和方法的思想的条件下可对本发明进行组合或改变，认为这种改变包括在本发明的范围内。因此，在上文具体描述的特别实施方案仅是说明性的，而不限制本发明的范围，由附加权利要求和其任何及全部等同方式给出本发明的完全范围。

[0046] 表1：载氧体对CO和H2反应性能评价

[0047] 原料气含有1200ppmCO,500ppmH2,氩气平衡；

[0048] 其中载氧体AxByCz中金属A的利用率计算如下：当CO或H2任何一种杂质在色谱检测出口气的浓度超过1ppm,即认为载氧体已经穿透，则

[0049] 金属A的利用率(％)＝[(ν×t×1700×10-6)/(1000×22.4)]×MA×1/mA×K；

[0050] 其中ν为反应气流速，单位ml/min；t为反应穿透所用时间，单位min；MA为对应载氧体AxByCz中A金属氧化物的摩尔质量，单位g/mol；K为杂质对应A金属氧化物反应的系数，例如CO对应CuO的反应系数是1，H2对应CuO的反应系数是1，甲烷对应CuO铜的反应系数是4；mA为A金属氧化物的实际担载量,由XRF测试获得。

[0051]

[0052] 从表1结果可以看出，单纯的CuO作为活性组分(编号1-3)，虽然在较低温度下(200℃)可以将CO浓度降低至1ppm以下，但是对H2的脱除性能较差，需要在300℃以上才能将H2脱除至1ppm以下，一旦重复使用(编号4)，CuO的利用率明显下降，说明有部分CuO存在烧结团聚的现象。加入ZrO2组分改性后，可以显著的提高CuO的稳定性(编号5-7)，重复使用性能没有明显的下降，但是反应温度区间偏高，氢气容易穿透。引入活性化H2的组分(编号8-10)氢气脱除温度显著降低，在180℃下即可脱除至1ppm以下，，并且CuO的利用率明显提升，但是重复使用后，其利用率有下降的趋势(编号10)。对于同时引入ZrO2和Pt改性的载氧体(编号11-13)表现出优异的性能，在较低温度下可以同时脱除CO和H2至1ppm以下，提高温度有助于进一步提高氧化铜的利用率。利用共沉淀化制备的载氧体表现出最优的反应性能，主要是各金属组分分布的更加均匀。并且在低温下(50℃)也表现出一定的反应活性。

[0053] 图1为载氧体的循环稳定性测试图，注：为了保证杂质脱除至1ppm以下，载氧体A的反应温度为320℃,载氧体H的反应温度为250℃。

[0054] 从图1可以看出，载氧体A一旦循环使用，金属A利用率从最初的78％不断衰减至57％左右，逐渐稳定。载氧体H在整个循环过程金属利用率，保持在80～85％之间，轻微波动，非常稳定。

[0055] 表2：载氧体对CH4的反应性能，

[0056] 反应气组成：CH4含量为50ppm,氩气平衡

[0057]

[0058] 从表2可以看出，甲烷的反应温度区间较高，其中负载金属Pd有利于CH4的脱除。

[0059] 表3：载氧体对多种气体杂质同时脱除的反应性能，

[0060] 反应气由组成：CO 10000ppm,H2 500ppm,CH4含量为10ppm,氩气平衡[0061]

[0062] 从表3可以看出，在同时存在多种还原性气体杂质时，尤其是在较高浓度的CO和H2共存条件下，所述载氧体能够在高空速条件下，同时将杂质脱除至1ppm以下(编号3)，并且经过50次循环，性能没有明显下降(编号4)。