原位负载硫掺杂石墨烯脱硝抗硫催化剂的聚苯硫醚复合材料及其制备方法转让专利
申请号 : CN202110321386.6
文献号 : CN113058618B
文献日 : 2022-04-19
发明人 : 郑玉婴 , 周铭玮
申请人 : 福州大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种复合材料,其特征在于:以活化后的聚苯硫醚纤维原位生长硫掺杂石墨烯为催化剂载体,将此改性过的聚苯硫醚纤维负载三元Mn‑Ce‑PdOx催化剂,得到所述复合材料;所述硫掺杂石墨烯的制备方法包括:
(1)将1g石墨加入到150mL烧杯中,加入40mL浓硫酸,将其置于水浴锅室温搅拌,至充分溶解;每隔10min加0.2g的KMnO4,高锰酸钾加入量为5g;
(2)KMnO4全部加入完毕之后,将水温升至50℃,搅拌反应2h后将水温升至80℃继续反应
2h后加入80mL去离子水;
(3)将步骤(2)获得的反应液置于90℃水浴锅中搅拌10min,逐滴加入H2O2至无气泡为止;最后加入20mL盐酸,将得到产物采用去离子水反复离心至中性;
(4)用80mL去离子水将产物稀释,加入0.5g的间溴噻吩和0.3g噻吩‑3‑胺,充分溶解后转移至高压反应釜在180℃反应24h,反应结束后取抽滤残留放入烘箱干燥,将最后获得的产物命名为S‑GO;
(5)预热管式炉,将S‑GO平铺在石英舟中,待管式炉升温至120℃将石英舟置入管式炉,先通入气压为0.1MPa的氮气,管式炉升温至400℃后,关闭氮气,通入气压0.03MPa流量
150mL/min的氢气在400℃还原两个小时;关掉电源和氢气,充入0.1MPa的氮气2h,关闭氮气后等待石英舟冷却至室温,然后充入0.1MPa氩气在800℃的管式炉中煅烧1h得到S‑rGO;
所述活化后的聚苯硫醚纤维原位生长硫掺杂石墨烯的具体制备步骤包括:步骤Ⅰ、准确量取78mL去离子水加入烧杯250mL烧杯,将聚苯硫醚纤维圆片浸入去离子水中超声处理15min,之后在搅拌环境逐滴滴入22mL浓硝酸,使聚苯硫醚纤维表面富集含氧官能团;
步骤Ⅱ、将步骤Ⅰ得到的溶液在75℃水浴环境中反应5h,用去离子水反复冲洗处理过的聚苯硫醚纤维圆片三遍,并置入65℃烘箱烘干24h备用;
步骤Ⅲ、准确称取0.05g硫掺杂石墨烯S‑rGO溶解于100mL去离子水中,超声震荡1min得到硫掺杂石墨烯溶液,将步骤Ⅱ烘干聚苯硫醚纤维圆片浸入硫掺杂石墨烯溶液,置于85℃水浴环境中反应4h,然后取出聚苯硫醚纤维圆片以去离子水冲洗干净,置入烘箱48h,产物命名为S‑rGO@PPS。
2.如权利要求1所述复合材料的制备方法,其特征在于:改性过的聚苯硫醚纤维负载三元Mn‑Ce‑PdOx催化剂的制备步骤包括:a、取一片S‑rGO@PPS置入250mL烧杯中并加入100mL去离子水,超声处理15min后加入
0.06g十二烷基硫酸钠,放入转子,60℃水浴环境下搅拌30min;
b、水浴升温到85℃后加入硝酸铈Ce(NO3)3·6H2O到步骤a配置好的溶液中,搅拌1小时,
3+
至Ce(NO3)3·6H2O完全溶解;此时,Ce 通过静电作用接枝到了S‑rGO@PPS表面;
c、称取氯化钯PdCl2,加入步骤b所得溶液中,PdCl2完全溶解后,继续在85℃水浴环境下
2+ 3+
搅拌1小时,此时,S‑rGO@PPS表面充满了Pd 和Ce 反应的产物;
d、配置KMnO4溶液,加入步骤c中,保持反应温度继续反应2h,停止反应后取出S‑rGO@PPS滤片以去离子水清洗干净后烘干,即所得滤料记为Mn‑Ce‑PdOx/S‑rGO@PPS。
3.如权利要求2所述复合材料的制备方法,其特征在于:硫掺杂石墨烯占催化剂反应原料硝酸铈、氯化钯以及高锰酸钾质量总和的5wt%。
4.如权利要求2所述复合材料的制备方法,其特征在于:Ce(NO3)3·6H2O与PdCl2及KMnO4的摩尔比是1:1:1。
5.如权利要求2所述复合材料的制备方法,其特征在于:Ce(NO3)3·6H2O与PdCl2及KMnO4的摩尔比是1:1:1.2。
6.如权利要求2所述复合材料的制备方法,其特征在于:步骤d所述烘干具体为105℃烘箱干燥24h。
7.如权利要求2所述复合材料的制备方法,其特征在于:聚苯硫醚纤维圆片规格为:半径2cm、厚度2mm圆形纤维片。
说明书 :
原位负载硫掺杂石墨烯脱硝抗硫催化剂的聚苯硫醚复合材料
及其制备方法
技术领域
PdOx催化剂的技术。
技术背景
式除尘器得到了研究人员的广泛研究。其中聚苯硫醚被广泛应用于袋式除尘领域,因为它
具有以下优点:出色的阻燃性能,其极限氧指数(LOI)高达34%,燃烧等级达到UL94 V‑0级;
出色的热稳定性,其长期使用温度高达220~240℃,热变形温度高达260℃,空气中的分解
温度为430℃和460℃;出色的耐腐蚀性能,其在200℃以下几乎不溶于任何溶剂,耐化学腐
蚀性能相近于聚四氟乙烯(PTFE);出色的电性能,其介电常数和介电损耗都较低,这使其具
有出色的绝缘性能;出色的尺寸稳定性,其成型收缩率介于0.15~0.3%,且吸油性和吸水
性小。如果能研发出一种将催化剂和袋式除尘器结合的设备将极大的降低脱硝工业的成本
和操作难度,因此本发明尝试将抗硫性能优异的新型催化剂负载于聚苯硫醚纤维表面,完
成SCR技术和袋式除尘技术结合的第一步。
关注的热点。无载体MnOx‑CeO2催化剂是目前此类报道中低温SCR活性最高的,温度在120℃
时NOx可几乎完全转化为N2。
苯可以被一步氧化为苯酚。间溴噻吩和噻吩‑3‑胺可以在相对温和的环境中以水热法快速
简单的将硫元素引入氧化石墨烯,再将含硫掺杂的氧化石墨烯热还原可得到抗二氧化硫毒
化能力较强的硫掺杂石墨烯。研究中使用硫掺杂石墨烯做为催化剂,研究了室温下硝基苯
的还原反应,实验过程展示了较高的反应活性和稳定性。还有实验表明在硫掺杂石墨烯边
缘不饱和的碳原子或者硫掺杂石墨烯表面的缺陷可能是催化活性的中心。硫掺杂石墨烯的
引入可以提高活性酸位点,引入更多的活性氧物种,产生更多的表面吸附氧,增大比表面
积,从而提高催化剂的脱硝效率。
发明内容
石墨烯反应的含氧官能团,最后采用原位生长的方式将催化剂均匀牢固的负载在聚苯硫醚
纤维上。
烘箱干燥,将最后获得的产物命名为S‑GO。反应式如下:
量150mL/min的氢气在400℃还原两个小时。关掉电源和氢气,充入0.1MPa的氮气2h,关闭氮
气后等待石英舟冷却至室温,然后充入0.1MPa氩气在800℃的管式炉中煅烧1h得到S‑rGO。
反应式如下:
于85℃水浴环境中反应4h,然后取出聚苯硫醚纤维圆片以去离子水冲洗干净,置入烘箱
48h,产物命名为S‑rGO@PPS。
上述溶液中,搅拌1小时,至Ce(NO3)3·6H2O完全溶解。此时,Ce 通过脱水缩合反应接枝到了
S‑rGO@PPS表面。
85℃水浴环境下搅拌1小时。此时,S‑rGO@PPS表面充满了Pd+和Ce 反应的产物。
载硫掺杂石墨烯的聚苯硫醚脱硝抗硫功能滤料。记为Mn‑Ce‑PdOx/S‑rGO@PPS。反应式如下:
面原位生长了稀土元素Ce。因此使其具有更好的抗硫性能。
及更好的抗硫性能。
石墨烯结合牢固,使用寿命长,脱销率高。
附图说明
具体实施方式
之后,将水温升至50℃,搅拌反应2h后将水温升至80℃继续反应2h后加入80ml去离子水。将
步骤(2)获得的反应液置于90℃水浴锅中搅拌10min,逐滴加入H2O2至无气泡为止。最后加入
20ml盐酸,将得到产物反复离心至中性。用80ml去离子水将产物稀释,加入0.5g的间溴噻吩
和0.3g噻吩‑3‑胺,充分溶解后转移至高压反应釜在180℃反应24h。反应结束后取抽滤残留
放入烘箱干燥,将最后获得的产物命名为S‑GO。预热管式炉,将S‑GO平铺在石英舟中,待管
式炉升温至120℃将石英舟置入管式炉,先通入气压为0.1MPa的氮气,管式炉升温至400℃
后,关闭氮气,通入气压0.03MPa流量150mL/min的氢气在400℃还原两个小时。关掉电源和
氢气,充入0.1MPa的氮气2h,关闭氮气后等待石英舟冷却至室温,然后充入0.1MPa氩气在
800℃的管式炉中煅烧1h得到S‑rGO。
离子水冲洗干净后放入65℃烘箱干燥24小时后取出备用。准确称量0.1550g硫掺杂石墨烯
S‑rGO,超声溶解于100mL去离子水,加入上述硝酸处理过的PPS,置入搅拌转子在85℃水浴
环境中反应8小时。反应结束后取出PPS用去离子水冲洗干净放入65℃烘箱干燥48小时后取
出备用,此产物记做S‑rGO@PPS。称取0.05986g十二烷基硫酸钠(简称SDS)在100mL去离子水
中溶解,加入S‑rGO@PPS置入转子,室温24℃的环境下搅拌15分钟等待SDS完全溶解并且在
S‑rGO@PPS表面形成接枝。然后称取1.7489g简称Ce(NO3)3·6H2O溶解在上述溶液中升高反
应温度至85℃并且搅拌反应1小时,准确称取0.7141gPdCl2加入上述溶液溶解后反应1小
时。称取0.6365gKMnO4加入溶液中反应2小时反应结束后取出PPS用去离子水冲洗干净放入
65℃烘箱干燥24小时,得到最终待测产物Mn‑Ce‑PdOx/S‑rGO@PPS。
434.22×158.03=0.6365g。
为0.05%,O2体积分数为5%,其余为N2,SO2体积分数为2.5%,气体流速为700mL·min ,温
度设置为140℃,用英国KM940烟气分析仪测得脱硝率为62%;温度设置为160℃,脱硝率为
77%,温度设置为180℃,脱硝率为88%;180℃时通入SO2间隔30min测试,最后脱硝率基本
稳定于64%。
之后,将水温升至50℃,搅拌反应2h后将水温升至80℃继续反应2h后加入80ml去离子水。将
步骤(2)获得的反应液置于90℃水浴锅中搅拌10min,逐滴加入H2O2至无气泡为止。最后加入
20ml盐酸,将得到产物反复离心至中性。用80ml去离子水将产物稀释,加入0.5g的间溴噻吩
和0.3g噻吩‑3‑胺,充分溶解后转移至高压反应釜在180℃反应24h。反应结束后取抽滤残留
放入烘箱干燥,将最后获得的产物命名为S‑GO。预热管式炉,将S‑GO平铺在石英舟中,待管
式炉升温至120℃将石英舟置入管式炉,先通入气压为0.1MPa的氮气,管式炉升温至400℃
后,关闭氮气,通入气压0.03MPa流量150mL/min的氢气在400℃还原两个小时。关掉电源和
氢气,充入0.1MPa的氮气2h,关闭氮气后等待石英舟冷却至室温,然后充入0.1MPa氩气在
800℃的管式炉中煅烧1h得到S‑rGO。
离子水冲洗干净后放入65℃烘箱干燥24小时后取出备用。准确称量0.1479g硫掺杂石墨烯,
超声溶解于100mL去离子水,加入上述硝酸处理过的PPS,置入搅拌转子在85℃水浴环境中
反应8小时。反应结束后取出PPS用去离子水冲洗干净放入65℃烘箱干燥48小时后取出备
用,此产物记做S‑rGO@PPS。称取0.06013g十二烷基硫酸钠(简称SDS)在100mL去离子水中溶
解,加入S‑rGO@PPS置入转子,室温24℃的环境下搅拌15分钟等待SDS完全溶解并且在S‑
rGO@PPS表面形成接枝。然后称取1.7500g硝酸铈(Ce(NO3)3·6H2O)溶解在上述溶液中升高
反应温度至85℃并且搅拌反应1小时,准确称取0.5716g氯化钯(PdCl2)加入上述溶液溶解
后反应1小时。称取0.6369g高锰酸钾(KMnO4)加入溶液中反应2小时反应结束后取出PPS用
去离子水冲洗干净放入65℃烘箱干燥24小时,得到最终待测产物Mn‑Ce‑PdOx/S‑rGO@PPS。
÷434.22×158.03=0.6369g。
为0.05%,O2体积分数为5%,其余为N2,SO2体积分数为2.5%,气体流速为700mL·min ,温
度设置为140℃,用英国KM940烟气分析仪测得脱硝率为67%;温度设置为160℃,脱硝率为
74%,温度设置为180℃,脱硝率为86%;180℃时通入SO2间隔30min测试,最后脱销率基本
稳定于62%。
之后,将水温升至50℃,搅拌反应2h后将水温升至80℃继续反应2h后加入80ml去离子水。将
步骤(2)获得的反应液置于90℃水浴锅中搅拌10min,逐滴加入H2O2至无气泡为止。最后加入
20ml盐酸,将得到产物反复离心至中性。用80ml去离子水将产物稀释,加入0.5g的间溴噻吩
和0.3g噻吩‑3‑胺,充分溶解后转移至高压反应釜在180℃反应24h。反应结束后取抽滤残留
放入烘箱干燥,将最后获得的产物命名为S‑GO。预热管式炉,将S‑GO平铺在石英舟中,待管
式炉升温至120℃将石英舟置入管式炉,先通入气压为0.1MPa的氮气,管式炉升温至400℃
后,关闭氮气,通入气压0.03MPa流量150mL/min的氢气在400℃还原两个小时。关掉电源和
氢气,充入0.1MPa的氮气2h,关闭氮气后等待石英舟冷却至室温,然后充入0.1MPa氩气在
800℃的管式炉中煅烧1h得到S‑rGO。
离子水冲洗干净后放入65℃烘箱干燥24小时后取出备用。准确称量0.1374g硫掺杂石墨烯,
超声溶解于100mL去离子水,加入上述硝酸处理过的PPS,置入搅拌转子在85℃水浴环境中
反应8小时。反应结束后取出PPS用去离子水冲洗干净放入65℃烘箱干燥48小时后取出备
用,此产物记做S‑rGO@PPS。称取0.05993g十二烷基硫酸钠(简称SDS)在100mL去离子水中溶
解,加入S‑rGO@PPS置入转子,室温24℃的环境下搅拌15分钟等待SDS完全溶解并且在S‑
rGO@PPS表面形成接枝。然后称取1.7521g硝酸铈(Ce(NO3)3·6H2O)溶解在上述溶液中升高
反应温度至85℃并且搅拌反应1小时,准确称取0.3577g氯化钯(PdCl2)加入上述溶液溶解
后反应1小时。称取0.6377g高锰酸钾(KMnO4)加入溶液中反应2小时反应结束后取出PPS用
去离子水冲洗干净放入65℃烘箱干燥24小时,得到最终待测产物Mn‑Ce‑PdOx/S‑rGO@PPS。
1.7521÷434.22×158.03=0.6377g。
为0.05%,O2体积分数为5%,其余为N2,SO2体积分数为2.5%,气体流速为700mL·min ,温
度设置为140℃,用英国KM940烟气分析仪测得脱硝率为66%;温度设置为160℃,脱硝率为
76%,温度设置为180℃,脱硝率为84%;180℃时通入SO2间隔30min测试,最后脱硝率基本
稳定于61%。
之后,将水温升至50℃,搅拌反应2h后将水温升至80℃继续反应2h后加入80ml去离子水。将
步骤(2)获得的反应液置于90℃水浴锅中搅拌10min,逐滴加入H2O2至无气泡为止。最后加入
20ml盐酸,将得到产物反复离心至中性。用80ml去离子水将产物稀释,加入0.5g的间溴噻吩
和0.3g噻吩‑3‑胺,充分溶解后转移至高压反应釜在180℃反应24h。反应结束后取抽滤残留
放入烘箱干燥,将最后获得的产物命名为S‑GO。预热管式炉,将S‑GO平铺在石英舟中,待管
式炉升温至120℃将石英舟置入管式炉,先通入气压为0.1MPa的氮气,管式炉升温至400℃
后,关闭氮气,通入气压0.03MPa流量150mL/min的氢气在400℃还原两个小时。关掉电源和
氢气,充入0.1MPa的氮气2h,关闭氮气后等待石英舟冷却至室温,然后充入0.1MPa氩气在
800℃的管式炉中煅烧1h得到S‑rGO。
离子水冲洗干净后放入65℃烘箱干燥24小时后取出备用。准确称量0.1625g硫掺杂石墨烯,
超声溶解于100mL去离子水,加入上述硝酸处理过的PPS,置入搅拌转子在85℃水浴环境中
反应8小时。反应结束后取出PPS用去离子水冲洗干净放入65℃烘箱干燥48小时后取出备
用,此产物记做S‑rGO@PPS。称取0.0600g十二烷基硫酸钠(简称SDS)在100mL去离子水中溶
解,加入S‑rGO@PPS置入转子,室温24℃的环境下搅拌15分钟等待SDS完全溶解并且在S‑
rGO@PPS表面形成接枝。然后称取1.7534g硝酸铈(Ce(NO3)3·6H2O)溶解在上述溶液中升高
反应温度至85℃并且搅拌反应1小时,准确称取0.8591g氯化钯(PdCl2)加入上述溶液溶解
后反应1小时。称取0.6381g高锰酸钾(KMnO4)加入溶液中反应2小时反应结束后取出PPS用
去离子水冲洗干净放入65℃烘箱干燥24小时,得到最终待测产物Mn‑Ce‑PdOx/S‑rGO@PPS。
1.7534÷434.22×158.03=0.6381g。
为0.05%,O2体积分数为5%,其余为N2,SO2体积分数为2.5%,气体流速为700mL·min ,温
度设置为140℃,用英国KM940烟气分析仪测得脱硝率为69%;温度设置为160℃,脱硝率为
78%,温度设置为180℃,脱硝率为86%;180℃时通入SO2间隔30min测试,最后脱销率基本
稳定于66%。
之后,将水温升至50℃,搅拌反应2h后将水温升至80℃继续反应2h后加入80ml去离子水。将
步骤(2)获得的反应液置于90℃水浴锅中搅拌10min,逐滴加入H2O2至无气泡为止。最后加入
20ml盐酸,将得到产物反复离心至中性。用80ml去离子水将产物稀释,加入0.5g的间溴噻吩
和0.3g噻吩‑3‑胺,充分溶解后转移至高压反应釜在180℃反应24h。反应结束后取抽滤残留
放入烘箱干燥,将最后获得的产物命名为S‑GO。预热管式炉,将S‑GO平铺在石英舟中,待管
式炉升温至120℃将石英舟置入管式炉,先通入气压为0.1MPa的氮气,管式炉升温至400℃
后,关闭氮气,通入气压0.03MPa流量150mL/min的氢气在400℃还原两个小时。关掉电源和
氢气,充入0.1MPa的氮气2h,关闭氮气后等待石英舟冷却至室温,然后充入0.1MPa氩气在
800℃的管式炉中煅烧1h得到S‑rGO。
离子水冲洗干净后放入65℃烘箱干燥24小时后取出备用。准确称量0.1734g硫掺杂石墨烯,
超声溶解于100mL去离子水,加入上述硝酸处理过的PPS,置入搅拌转子在85℃水浴环境中
反应8小时。反应结束后取出PPS用去离子水冲洗干净放入65℃烘箱干燥48小时后取出备
用,此产物记做S‑rGO@PPS。称取0.0600g十二烷基硫酸钠(简称SDS)在100mL去离子水中溶
解,加入S‑rGO@PPS置入转子,室温24℃的环境下搅拌15分钟等待SDS完全溶解并且在S‑
rGO@PPS表面形成接枝。然后称取1.7550g硝酸铈(Ce(NO3)3·6H2O)溶解在上述溶液中升高
反应温度至85℃并且搅拌反应1小时,准确称取1.075g氯化钯(PdCl2)加入上述溶液溶解后
反应1小时。称取0.6387g高锰酸钾(KMnO4)加入溶液中反应2小时反应结束后取出PPS用去
离子水冲洗干净放入65℃烘箱干燥24小时,得到最终待测产物Mn‑Ce‑PdOx/S‑rGO@PPS。
÷434.22×158.03=0.6387g。
为0.05%,O2体积分数为5%,其余为N2,SO2体积分数为2.5%,气体流速为700mL·min ,温
度设置为140℃,用英国KM940烟气分析仪测得脱硝率为80%;温度设置为160℃,脱硝率为
83%,温度设置为180℃,脱硝率为84%;180℃时通入SO2间隔30min测试,最后脱硝率基本
稳定于65%。
之后,将水温升至50℃,搅拌反应2h后将水温升至80℃继续反应2h后加入80ml去离子水。将
步骤(2)获得的反应液置于90℃水浴锅中搅拌10min,逐滴加入H2O2至无气泡为止。最后加入
20ml盐酸,将得到产物反复离心至中性。用80ml去离子水将产物稀释,加入0.5g的间溴噻吩
和0.3g噻吩‑3‑胺,充分溶解后转移至高压反应釜在180℃反应24h。反应结束后取抽滤残留
放入烘箱干燥,将最后获得的产物命名为S‑GO。预热管式炉,将S‑GO平铺在石英舟中,待管
式炉升温至120℃将石英舟置入管式炉,先通入气压为0.1MPa的氮气,管式炉升温至400℃
后,关闭氮气,通入气压0.03MPa流量150mL/min的氢气在400℃还原两个小时。关掉电源和
氢气,充入0.1MPa的氮气2h,关闭氮气后等待石英舟冷却至室温,然后充入0.1MPa氩气在
800℃的管式炉中煅烧1h得到S‑rGO。
离子水冲洗干净后放入65℃烘箱干燥24小时后取出备用。准确称量0.1912g硫掺杂石墨烯,
超声溶解于100mL去离子水,加入上述硝酸处理过的PPS,置入搅拌转子在85℃水浴环境中
反应8小时。反应结束后取出PPS用去离子水冲洗干净放入65℃烘箱干燥48小时后取出备
用,此产物记做S‑rGO@PPS。称取0.0600g十二烷基硫酸钠(简称SDS)在100mL去离子水中溶
解,加入S‑rGO@PPS置入转子,室温24℃的环境下搅拌15分钟等待SDS完全溶解并且在S‑
rGO@PPS表面形成接枝。然后称取1.7530g硝酸铈(Ce(NO3)3·6H2O)溶解在上述溶液中升高
反应温度至85℃并且搅拌反应1小时,准确称取1.432g氯化钯(PdCl2)加入上述溶液溶解后
反应1小时。称取0.6380g高锰酸钾(KMnO4)加入溶液中反应2小时反应结束后取出PPS用去
离子水冲洗干净放入65℃烘箱干燥24小时,得到最终待测产物Mn‑Ce‑PdOx/S‑rGO@PPS。
434.22×158.03=0.6380g。
为0.05%,O2体积分数为5%,其余为N2,SO2体积分数为2.5%,气体流速为700mL·min ,温
度设置为140℃,用英国KM940烟气分析仪测得脱硝率为76%;温度设置为160℃,脱硝率为
80%,温度设置为180℃,脱硝率为80%;180℃时通入SO2间隔30min测试,最后脱硝率基本
稳定于63%。
烟气中包括NO、O2、N2、NH3为还原气体,NO和NH3体积分数均为0.04‑0.06%,O2体积分数为4‑
‑1
6%,其余为N2,气体流速为700mL·min ,温度控制在120‑200℃间,气体流量、组成由质量
流量计调节和控制。气体分析采用英国KM940烟气分析仪,为了保证数据的稳定性和准确
性,每个工况至少稳定30min。
1:1.2的时候抗硫率达到最大值,在硝酸铈:高锰酸钾:氯化钯摩尔比为1:1:1的时候脱硝率
最大。