基于载锰沸石分子筛的臭氧催化剂分解效率装置研究总结

一、研究背景与意义

- 臭氧作为重点防控的室内气态污染物，广泛存在于工业水消毒、空气灭菌净化、室内激光打印机、静电除尘设备等生产生活场景，飞机飞行时新风也会携带大量臭氧，危害健康且存在安全隐患，还会参与二次颗粒物形成促成雾霾。

- 世界卫生组织规定室内臭氧8小时平均体积分数不能超过9*10^-8，因此亟需开发高效的臭氧净化技术。

- 催化分解法因脱除效率高、操作简便等优势受青睐，其核心是催化活性材料，现有材料存在燃爆隐患、价格昂贵、易失活等问题，而沸石分子筛具备吸附与催化分解特性，且稳定性好、成本可控，值得研究。

二、实验内容

（一）样品制备

- 选用FAU、MFI、BETA三类拓扑结构的USY、ZSM-5、Beta沸石原粉，以及Co、Mn两种阳离子的硝酸盐溶液。

- 采用等体积浸渍法制备不同拓扑结构、金属阳离子负载的改性沸石分子筛，通过不同干燥方式（传统烘箱160℃干燥1h或微波烘箱750W功率干燥90s）和煅烧（350℃煅烧3h）处理，得到不同样品，并优选出8%的锰质量负载量。

- 将优选催化剂原粉与助剂配成浆液，涂敷在载体上制成整体式蜂窝催化剂。

（二）样品表征

- 使用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜及能谱分析（EDS）、X射线光电子能谱（XPS）、BET比表面积测定、吡啶红外（Py-IR）等手段对样品进行表征，分析其晶体结构、元素分布、化学状态、比表面积、孔径分布及表面酸性等特性。

（三）催化性能测试

- 搭建由臭氧发生器、低温恒温槽、换热器、反应器、臭氧检测仪等组成的测试装置，通过公式E=(1−C/C₀)×100%计算臭氧脱除效率，在不同温度、空速等条件下对粉末式和整体式蜂窝催化剂的臭氧净化效率进行测试。

臭氧净化效率测试装置流程示意图

三、研究结果与讨论

（一）基础性能表征结果

- XRD图谱显示阳离子改性未改变沸石晶体结构，且金属阳离子均匀分布于孔道内部。

- BET结果表明等体积浸渍法改性的样品比表面积略低于原粉，而液相法制备的Mn-USY-YX比表面积大幅降低，可能因水合物堵塞孔道；USY系列主孔径约0.74nm，大于Mn-Beta-DT（0.58nm）和Mn-ZSM-5-DT（0.55nm）。

（二）影响臭氧净化性能的因素

- 金属阳离子：Mn-USY-DT的臭氧净化效率在300h内稳定在100%，优于Co-USY-DT和USY，表明Mn阳离子更有利于催化分解臭氧。

- 拓扑结构：FAU结构的Mn-USY-DT性能最优，能维持90%效率长达40h，优于Mn-Beta-DT和Mn-ZSM-5-DT，因其孔径较大，利于臭氧吸附与催化分解。

- 制备方法：等体积浸渍法结合微波干燥的Mn-USY-DT/WB样品性能优于液相离子交换法和传统干燥法制备的样品，微波干燥可使Mn元素分布更均匀，避免聚集。

（三）催化机制

- 单位时间内臭氧分子在沸石上的吸附与催化分解相互协调，决定稳态催化分解，吸附与催化速率不平衡会导致效率下降或初始效率低。

- 臭氧吸附受孔径和比表面积影响，孔径接近臭氧分子直径（0.52nm）利于吸附；催化分解受活性组分影响，Mn离子的存在提升催化性能。

（四）再生性能

- Mn-USY-DT/WB经180℃加热再生2h后，平均化合态（AOS）从2.95降至2.81，中间氧物种脱附，氧空位释放，催化活性恢复，可循环利用，优于商用\(MnO_2\)催化剂。

（五）整体式蜂窝催化剂性能

- 在25℃、50000h⁻¹空速下，可通过低温加热再生；在170℃（飞机机舱工作温度）、50000h⁻¹空速下，能维持99%以上臭氧分解效率1000h以上，且机械强度稳定。

四、结论

- 优选出采用等体积浸渍与微波干燥组合方法制备的载锰USY改性沸石分子筛Mn-USY-DT/WB，其在高空速、低温下能长效催化分解臭氧，且可通过加热再生，优于商用MnO2。

- 将其制成整体式蜂窝催化剂，在实际应用条件下性能优异，为长效低阻臭氧分解催化剂的开发提供新思路。

北京同林科技提供臭氧催化剂分解效率实验所用的全套臭氧设备，包括紫外臭氧发生器、流量计、臭氧反应器、臭氧检测仪、臭氧尾气破坏器等。