煤层气除氧钴基钙钛矿型催化剂的研究

煤层气俗称煤矿瓦斯,是煤矿伴生气体,富含甲烷气体,是一种很好的能源。但是在开采过程中是难免会混入空气。煤层气中含有氧气,这就有爆炸的不安全隐患,不利于煤层气的使用,因此需要把氧气除去。本文采用催化氧化的方法除氧,在催化剂的作用下,可以在较低的温度下催化甲烷和氧气燃烧,进而除去氧气。煤层气除氧体系是一个甲烷过量、氧气不足的体系,在催化燃烧过程中容易发生甲烷部分氧化、水蒸气重整等副反应,因此对催化剂的选择要求较高。本文考察了不同类型催化剂对煤层气除氧过程的催化性能,对钯贵金属、铜铈复合氧化物、钻基和锰基钙钛矿、六铝酸盐等类型催化剂考察后发现,在钯贵金属和LaMnO3钙钛矿型催化剂上甲烷易发生部分氧化反应产生氢气,在LaCoO3钙钛矿上却不易发生部分氧化反应,再结合稳定性和活性综合考虑,选择LaCoO3钙钛矿型催化剂作为本文的研究对象。从催化剂的设计和催化剂床层设计出发,研究了控制催化除氧反应的进程,结果表明,从催化剂的设计方面很难控制甲烷燃烧的强放热反应。研究了掺杂对镧钻钙钛矿复合氧化物LaCoO3的物化性能和催化性能的影响,用X射线粉末衍射(XRD)、红外光谱(FT-IR)、低温N2吸附以及H2-TPR、CH4-TPR-MS、CO脉冲等技术对催化剂结构、物化性能进行了表征,研究了制备条件、掺杂对催化剂的结构和性能等的影响。结果表明,B位掺杂Bi后,随Bi掺杂量的增加,非但不能提高催化剂的活性,反而降低了催化剂的活性。A位掺杂Pr和Er后,催化剂的活性有较大的提高,而且掺杂量存在一个适宜值。当Pr和Er的加入量分别为0.1和0.2时,即La0.9Pr0.1CoO3和La0.8Er0.2CoO3具有较高的催化活性,其中La0.8Er0.2CoO3的活性最好。考察了焙烧温度、沉淀剂、制备方法和焙烧时间等因素对La0.8Er0.2CoO3催化剂活性的影响。结果表明,采用NaOH为沉淀剂用共沉淀法制备的La0.8Er0.2CoO3催化剂,经750℃焙烧两个小时所得的催化剂具有较好的活性和热稳定性。