[发明专利]一种用于脱除丙烯腈废气的方法

说明书

技术领域

本发明属于一种脱除丙烯腈废气的方法，具体地说涉及一种用过渡金属铜负载于微孔分子筛ZSM-5作为催化剂，通过催化燃烧法脱除丙烯腈废气的方法，同时制备出工业应用级的催化剂颗粒，可用于碳纤维厂，丙烯腈厂等排放的含有丙烯腈剧毒尾气的处理。

背景技术

丙烯腈是生产纤维、橡胶和塑料三大合成材料的重要化工原料，应用十分广泛。但由于目前工艺条件的限制，尾气排放中含有一定量的丙烯腈，丙烯，丙烷和一氧化碳等有害组分，如果这种低浓度废气直接排放到大气，势必会对环境造成严重污染。《大气污染物综合排放标准》对丙烯腈气体的最高允许排放浓度为22mg/m³,随着环境污染问题的日益加重，这个标准势必会继续提高，这就对有效处理丙烯腈尾气提出更高的要求。

目前，脱除丙烯腈的方法主要有三种，燃烧法，吸附法和吸收法。燃烧法又分为直接燃烧和催化燃烧，其中催化燃烧法是处理工业有机废气有效而广泛采用的技术。由于催化剂具有选择性，所以在催化燃烧过程中可以将丙烯腈（CH₂=CH-CN）中的-CN官能团分别转化为氮气和二氧化碳，而不会像直接燃烧中，由于高温造成氮元素过度氧化而形成二氧化氮，造成二次污染。同时，催化燃烧技术具有起燃温度低，余热可回收，能耗低等优点。

催化燃烧技术需根据废气中的主要污染物成分来选定具有针对性的有效催化剂，而目前主要针对丙烯腈废气的处理的催化剂鲜有报道。大多数催化剂开发工艺主要针对氢氰酸废气的脱除，同时集中在贵金属催化剂，如专利CN101269297A和CN1404900A公开了脱除HCN废气的方法，所选催化剂主要是铂、钯、铑的单一或组合作为催化剂，纯贵金属催化剂造价高，选择性差，不适合大规模应用。专利CN1416950A采用的是将铂金属负载到氧化铝上脱除氢氰酸废气，虽然减少了贵金属的用量，提高了其利用率，但由于催化剂本身价格昂贵，限制了其更广泛的应用。专利CN1462652A公开了一种采用铜负载在Al₂O₃处理HCN废气的方法，该方法虽然降低了催化剂成本，但由于氧化铝载体比表面积低，活性中心分布差，催化活性并没有得到较好的体现。专利CN102734812A公开了一种介孔分子筛负载过渡金属用于乙腈废气的脱除，由于采用纯硅基的SBA-15作为载体，虽然乙腈的转化率能够在450℃以上能达到100%的，但是其N₂的选择性最高也仅为87%，这对于具有更高毒性的丙烯腈而言，可能需要更高的N₂选择性。催化燃烧法的关键技术是针对于不同工艺过程开发高效的催化剂，相比于HCN废气的脱除研究，针对丙烯腈废气的催化燃烧研究很少。

微孔分子筛ZSM-5具有独特的孔道和酸性特征，已被广泛应用于石油化工，煤化工和精细化工领域。ZSM-5作为金属活性组分的载体时，通过过渡金属离子对其改性，大多数被应用在氮氧化物的选择性催化还原，这为我们研究提供了可参考的意义，但针对丙烯腈废气的催化燃烧处理则未见报道。

发明内容

本发明针对丙烯腈废气的脱除过程，提出了一种Cu-ZSM-5催化剂催化燃烧丙烯腈废气的方法，可以在较低反应温度下（350℃）高效脱除丙烯腈废气，针对碳纤维厂，丙烯腈厂排放出的丙烯腈（C₃H₃N）剧毒气体，具有较高的催化活性和选择性，并且催化剂制备过程简单，原料价格低廉，副产物较少，无污染，能耗低，具有工业应用价值。

本发明提出的脱除丙烯腈废气的方法包括以下步骤：

（1）过渡金属铜负载于微孔分子筛ZSM-5催化剂的制备，将不同质量的硝酸铜（Cu(NO₃)₂·3H₂O）分别加入到去离子水，按照质量比为1：5000的比例溶解于水中配成不同浓度的铜离子浸渍液，再将一定量的微孔分子筛ZSM-5载体加入浸渍液中，其中载体和铜的质量比1:0.02～0.10,在恒温水浴条件下均匀搅拌负载，然后利用旋转蒸发仪除去浸渍液中的水，蒸干后将负载好的分子筛高温焙烧，得到铜金属负载型的分子筛催化剂（Cu-ZSM-5）；

（2）将步骤（1）制备的分子筛催化剂，置于固定床石英管反应器中，在常压下，反应温度从150℃升至500℃，升温间隔50℃，将丙烯腈，氧气和氮气的混合气以体积空速10000～37000h^-1通入反应炉内，经催化燃烧将废气脱除，其中，混合气的体积组成为丙烯腈：氧气=0.3:1～10，氮气作为平衡气；