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低成本SCR脱硝催化剂载体的制备与性能优化研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在当今社会，随着工业化和城市化进程的不断加速，能源消耗急剧增长，由此带来的环境污染问题愈发严峻。其中，氮氧化物（NOx）作为主要大气污染物之一，其排放对环境和人类健康造成了极大的危害。

氮氧化物主要包括一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）等，其来源广泛，涵盖自然产生与人为排放两大方面。自然产生途径有土壤和海洋中有机物的分解、火山爆发、闪电或细菌的活动等；而人为排放则主要来自固定源（如工业锅炉、燃煤锅炉等）与移动源（如车辆排放），火力发电、锅炉等更是氮氧化物最大的工业来源。在城区，机动车尾气排放是氮氧化物的主要贡献者，农业生产过程中土壤也会排放二氧化氮。

氮氧化物对环境和人类健康的危害是多方面的。在环境方面，它是臭氧的重要前体物，与其他污染物相互作用后，会形成雾霾和光化学烟雾，严重影响城市空气质量；也是大气细颗粒中硝酸盐的重要前体物，对城市大气细颗粒物污染防控至关重要；通过参与复杂大气化学过程，与烃类化合物反应生成强毒性产物，如硝基多环芳烃等；与大气中的水蒸气反应生成硝酸，导致酸雨形成，对土壤、水体和生态系统造成损害；高浓度的氮氧化物还会损害植物叶片，干扰光合作用和养分吸收，影响农作物产量和生态系统平衡。在人类健康方面，氮氧化物进入人体后，首先与血液中的血色素结合，致使身体出现中枢神经麻痹症状，同时对人体心脏等重要器官造成不同程度损伤，还会影响肺部功能，导致一系列呼吸系统疾病。

为应对氮氧化物污染问题，各国纷纷制定严格的环保法规以限制其排放，投入大量资源进行技术研发与创新。在众多脱硝技术中，选择性催化还原（SCR）脱硝技术凭借其高效、环保等优势，成为目前应用最为广泛的烟气脱硝工艺。该技术以NH3作为还原剂，将经空气稀释后的NH3喷入到约200-420℃的烟气中，与烟气均匀混合后，使混合烟气通过布置有催化剂的SCR反应器，此时烟气中的NOx与NH3在催化剂的作用下发生选择性催化还原反应，生成无污染的N2和H2O，脱硝效率通常可达80%-90%，结合锅炉低氮燃烧技术后可实现机组NOx排放浓度小于50mg/m3。

SCR脱硝催化剂作为SCR脱硝系统的核心部件，在整个脱硝过程中起着关键作用。它能够促使还原剂与烟气中的NOx在一定温度下发生化学反应，从而选择性地将NOx转化成N2和H2O。工程化应用的SCR催化剂基本上是以TiO2（二氧化钛）为载体，以V2O5（五氧化二钒）等为主要活性成份，多采用蜂窝式、平板式和波纹式等结构。然而，当前SCR脱硝催化剂的成本较高，这在一定程度上限制了SCR脱硝技术的更广泛应用和推广。尤其是在一些对成本较为敏感的行业或项目中，高昂的催化剂成本使得企业在选择脱硝技术时面临经济压力，甚至可能导致一些企业因无法承担成本而放弃采用高效的SCR脱硝技术，转而采用其他效果欠佳的方法，这无疑不利于整体的氮氧化物减排工作。

因此，开展低成本SCR脱硝催化剂载体的制备研究具有重要的现实意义。通过研发新型的、成本低廉的催化剂载体，有望降低SCR脱硝催化剂的整体成本，进而推动SCR脱硝技术在更多领域的应用，提高氮氧化物的减排效率，为改善大气环境质量做出积极贡献，助力实现“碳达峰、碳中和”以及“蓝天保卫战”等规划目标，促进工业的绿色可持续发展。

1.2国内外研究现状

SCR脱硝技术自20世纪70年代在日本首次商业化应用以来，在全球范围内得到了广泛的研究与应用。经过多年发展，国内外学者在SCR脱硝催化剂载体的研究方面取得了诸多成果，这些成果为相关技术的进步奠定了坚实基础，同时也为后续研究提供了广阔空间。

在国外，SCR脱硝技术发展已有三十多年历史，是应用较为广泛的烟气脱氮技术。英国剑桥大学、雷丁大学，美国密歇根大学，日本九州大学、国立材料和化学研究所等都是研究SCR催化剂的主要机构。密歇根大学专注于贵金属催化剂研究，日本国立材料和化学研究所则致力于金属氧化物催化剂制备方法的探索。在贵金属催化剂领域，其虽低温催化活性优良，但造价昂贵、易发生氧抑制和硫中毒，且在SCR过程中会使还原剂大量消耗从而增加系统运行成本。当前研究主要聚焦于采用新制备技术和新型载体，针对含硫低的工业尾气开发性能更优的低温催化剂。像EvgeniiV.Kondratenko等对Ag/Al2O3进行SCR研究发现，在低温范围且同时有O2和H2存在时，该催化剂活性可大幅提高；I.Salem等研究了ZrO2及SnO2对SCR催化剂Pt/Al2O3催化活性的影响，并探讨了不同还原剂对SCR反应的作用。

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