[发明专利]一种H2S选择性催化氧化催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种N掺杂多孔纳米碳材料的制备，具体涉及一种H₂S选择性氧化催化剂的制备及其使用方法，该应用不仅能消除剧毒的H₂S气体还能够实现硫元素的回收利用。

背景技术

H₂S作为大气的主要污染物之一，是一种高刺激性剧毒气体，在有氧和湿热条件下，不仅会引起设备和管路腐蚀、催化剂中毒，而且会严重威胁人身安全。随着经济的发展，人们环保意识的增强，尾气的脱硫问题越来越受到人们的关注。同时国家也制定了相应的法律、法规，对H₂S排放量作了严格的限制。硫化氢是许多工业生产中的副产物。目前，有70多种职业会接触到硫化氢。这些职业包括采矿、石油开采与提炼、皮革制造、橡胶合成、煤气制取、人造纤维、造纸、染料、印染、制糖、食品加工等。此外，有机物腐败场地也有硫化氢产生，并易积聚在通风不良的城市污水管道、窖井、化粪池、污水池、纸浆池以及其他各类发酵池和蔬菜腌制池等封闭和半封闭的设施、容器及管道内或低洼处、因此清理这些场所时，也会接触硫化氢。另外，硫化氢可溶于水和甲醇、乙醇，与空气混合能形成爆炸性混合物；遇明火、高导能引导起燃烧爆炸。目前，H₂S的脱除主要采用克劳斯 (Claus法) 工艺。该工艺需先吸收H₂S后提浓，再通过进一步催化处理制取单质硫。能达到脱除H₂S气体的目的，又可实现其中硫元素的回收利用。但是由于热力学限制，克劳斯尾气中还含有3%-5%的硫化物未能转化成单质硫。随着环境法规日益严格，需要寻找一种不受热力学平衡限制，可高效脱除H₂S并实现S单质回收利用的处理方法。

近年来，选择性催化氧化H₂S的方法受到人们的广泛重视，反应如式(1)所示。H₂S选择性催化氧化法不受热力学平衡限制，理论H₂S转化率可以达到 100 % 。并且该反应工艺先进，过程简单。因反应是放热反应，H₂S含量0.3 % 以上即可不需要外来热量，能耗低。因此，该反应具有良好的应用前景，实现这一过程的关键在于开发具有高效的催化活性及选择性的催化剂。

H₂S + 1/2O₂ → (1/n) S_n + H₂O (1)

目前应用于H₂S选择性催化氧化领域的催化剂主要有传统碳材料、分子筛和金属氧化物。但从文献上看，以上催化剂仍存在不足之处。例如，活性炭、分子筛材料因其比表面积大、孔道丰富使其传质过程及产物硫脱附速率加快，但是该材料自身催化中心少，需要负载活性组分或进行改性后才具有催化性能，因而存在制备过程繁琐和活性组分在反应中易流失等问题；金属氧化物自身有催化活性位点，而且稳定性比较高，但比表面积较小，限制了其对H₂S的吸附，而且在反应中容易发生硫磺覆盖活性中心，使催化剂性能大幅降低。因此，除了在原有载体上改性外，发展新型高效的H₂S选择性催化氧化催化剂非常必要。

研究发现，较大比表面积和大量的活性位点，有利于硫化氢吸附在活性位点进行反应。针对以上出现的问题，我们以有机碳源为前驱体，以F127为模板剂，在氮气气氛中高温碳化，然后使用KOH刻蚀制备出大表面和高含氮量的微孔碳球。与其他文献和专利报道的类似材料相比较，用这种方法制备的N掺杂多孔碳材料具有大比表面积，氮元素高度均匀分散并且有高含氮量的优点，这也是该材料作为催化剂应用于H₂S选择性催化氧化上很重要的一点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有材料中的不足，开发一种催化性能优越的H₂S选择性催化氧化催化剂。以3-氨基酚和六次甲基四胺为前驱体，F127为模板剂，通过在氮气气氛中高温热处理，再经过KOH刻蚀合成了N掺杂的微孔碳球。在合成的过程中还可以通过调控热处理的温度，来获得不同含量N掺杂的微孔碳球，所制备的样品在H₂S选择性催化氧化的应用中表现出了极好的催化性能。该发明首次将该方法制备的高比表面高含氮量的微孔碳材料，作为催化剂使用在H₂S选择性催化氧化的应用中，这为开发设计新型高效的H₂S选择性催化氧化催化剂提供新思路。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案: