摘要：针对当前工业烟气SCR 脱硝技术中钒基催化剂成本高、低温活性差、废弃后处理难等问题，本研究开发以低成本柱状活性炭（AC）为载体、五氧化二钒（ ΔV₂O₅ ）为活性组分的低温 SCR 脱硝催化剂。研究了过氧化氢（ .H₂O₂ ）、硫酸（ ?H₂SO₄ ）和硝酸（ HNO₃ ）三种氧化剂对 AC 载体表面改性处理的影响，用等体积浸渍法负载 V₂O₅ 。结果显示，H2SO4 改性能有效在 AC 表面引入含氧官能团，提升催化性能。制备的 V₂O₅/AC-H2S04 催化剂对NO 脱除率最高达 92.3‰ 。本研究为开发低成本、高效率、可再生的低温脱硝催化剂提供新技术路径和实验依据。

关键词：氮氧化物；选择性催化还原；柱状活性炭；五氧化二钒；低温脱硝

1. 引言

随着我国工业化与城市化的飞速发展，以煤炭为主的能源消费结构导致了严峻的大气污染问题。其中，氮氧化物（ NOx ）作为主要污染物之一，不仅是形成光化学烟雾、区域性雾霾和酸雨的关键前体物，还会对人体呼吸系统和生态系统构成直接威胁目前 [1-2]。SCR 技术以钒钨钛催化剂（ V₂O₅-WO₃/TiO₂ ）为核心，在 的温度窗口内可实现 80-90% 的高脱硝效率 [3]。然而，该技术体系存在若干固有缺陷：其核心元素钒（V）属于战略性稀缺金属，全球储量仅约 2400 万吨，长期供应存在风险；废弃的 SCR 催化剂被列为危险固体废物，其处理费用高昂（约 8000 元 / 吨），给企业带来沉重的环保与经济负担。上述问题共同导致了大量中小型企业和分散污染源面临脱硝设备“用不起”、排放“管不住”的困境。

基于此，本研究提出以廉价的柱状活性炭为载体，通过系统的氧化改性和 V₂O₅ 负载，制备一种高性能的低温SCR 脱硝催化剂。

2. 实验部分

2.1 催化剂制备

本实验运用等体积浸渍法来制备 V₂O₅/ 改性活性炭（AC）催化剂。首先，借助吸水率测试来明确改性前后 AC 的饱和吸水量，进而以此为参考配制等体积浸渍液。依据目标 V₂O₅ 负载量（分别为 1.0% 、 2.0% 、3.0% 、 3.5% 、 4.0% 、 5.0% ），精确算出偏钒酸铵（ NH₄VO₃ ）的质量，将其溶解于草酸水溶液，配制成钒源溶液。取一定量改性后的 AC（以 为例）完全浸入上述溶液中，在室温条件下静置浸渍 12 小时。浸渍完成后，把样品置于 105% 环境下干燥 6 小时，接着在 N₂ 气氛的保护下，于 350^qC 进行焙烧 4 小时，从而制得 V₂O₅/AC-H₂SO₄ 催化剂。按照相同的方法，制备出不同负载量以及以 AC-H₂O₂ 、AC-HNO₃ 为载体的一系列催化剂。

2.2 催化剂性能评价

在连续流动的固定床石英反应器中对催化剂的脱硝性能展开测试。NO 脱除率（η）的计算公式如下： η(%)=(1-C_out/C_in)×100% 。其中， C_in 和 ΔC_out 分别代表反应器入口和出口的NO 浓度（单位为 ppm ）。

3. 结果与讨论

3.1 活性炭氧化改性对脱硝性能的影响

图 1 展示了不同氧化剂改性后的 AC 负载 3%V₂O₅ 后催化剂的脱硝性能。在 的温度区间内，所有经过氧化改性的催化剂的脱硝性能都明显优于未改性的 V₂O₅/AC 催化剂。其中， V₂O₅/AC-H₂SO₄ 催化剂表现最为出色：在 200^c 时，其NO 脱除率达到了 85.2% ；在 250^∘C 时，脱硝率达到峰值 91.5% 。相比之下， H₂O₂ 和 改性的催化剂性能提升幅度相对较小。

图1 活性炭氧化改性的脱硝活性3.2V₂O₅ 负载量对脱硝性能的影响

图2呈现了在 ₂条件下， V₂O₅ 负载量对脱硝性能的影响。当 V₂O₅ 负载量从 1.0% 增加到 3.5% 时，催化剂的 NO 脱除率从 68.5% 稳步上升至 92.3% ；然而，当负载量继续增加到 4.0% 和 5.0% 时，NO脱除率反而下降到了 89.1% 和 83.4% 。

在负载量较低时，随着活性组分含量的增加，催化剂表面用于 NO催化还原反应的活性位点（ ⋁⁵⁺=0 物种）数量也会相应增加，从而加快了反应的动力学过程。但当负载量过高时，分散的 V₂O₅ 物种可能会发生聚集，形成较大的晶粒或者团簇。这些团簇会部分堵塞 AC 载体丰富的微孔和中孔孔道，不仅减少了可利用的比表面积，还增加了反应物和产物分子的扩散阻力。此外， V₂O₅ 颗粒的团聚会导致暴露在表面的有效活性位点数量减少，并且可能由于颗粒间的电子相互作用而改变活性中心的电子状态，最终致使催化效率降低。因此，本研究确定 V₂O₅ 的最佳负载量为 3.5% 。

图 2ΔV₂O₅ 负载量对柱状活性炭脱硝催化剂NO 脱除率的影响3.3 催化剂的再生性能

对性能最佳的 V₂O₅(3.5%)/AC-H₂SO₄ 催化剂进行了再生循环实验。具体操作是将使用后的催化剂在 N₂ 气氛下于 400^∘C 进行热处理 2 小时，以去除表面沉积的硫酸盐和碳酸盐等物质，从而恢复其活性。

新鲜催化剂的 NO 脱除率为 92.3% 。经过第一次再生后，脱除率略微下降至 89.5% ，仅损失了 3.1 个百分点。即使经过 5 次连续的再生 -反应循环，催化剂的脱硝效率仍然能够保持在 85.7% 的较高水平。这种出色的再生性能主要得益于两个方面：一方面，柱状活性炭本身具有稳定的碳骨架结构和良好的热稳定性，在 400^∘C 的再生温度下，其基本孔结构不容易被破坏；另一方面， H₂SO₄ 改性形成的含氧官能团与 V₂O₅ 之间形成了牢固的化学键合，使得活性组分在多次再生过程中不容易流失或者发生严重的烧结现象。这种良好的可再生性大大延长了催化剂的使用寿命，显著降低了由于频繁更换催化剂而产生的材料成本和危废处置成本。

4. 结论与展望

本研究成功制备了 V₂O₅/ 硫酸改性活性炭脱硝催化剂，主要得出以下结论：在三种氧化剂中，硫酸（ H₂SO₄ ）是对柱状活性炭进行改性的最有效试剂。确定了催化剂的最佳制备和反应参数： V₂O₅ 负载量为 3.5% ，催化剂在 250^∘C 的低温环境下能够实现 92.3% 的 NO 脱除率。所制备的催化剂具有良好的循环再生性能和结构稳定性。开展中试规模的放大实验，在真实的工业烟气环境中验证催化剂的长期运行稳定性，是推动该技术从实验室走向产业化应用的关键一步。

参考文献：

[1] 杨润农 . 锰改性脱硝催化剂的制备及性能研究 [D]. 广东工业大学，2021.

[2] 王雷 , 楼杰 , 周元祥 .SCR 烟气脱硝技术及脱硝效率影响因素研究 [J]. 能源化工 ,2024,45(04):65-69.

[3] 彭悦 . 选择性催化还原氮氧化物铈基催化剂的研究 [D]. 吉林大学 ,2012.基金项目：黑龙江省大学生创新创业训练计划项目：环保卫士 -柱状活性炭脱硝催化剂制备及应用研究（S202513299018）。