通过预先组装SiO?过渡层来增强Fe/ZSM催化剂在金属纤维毡上的负载效果，以实现高效协同除尘和脱硝

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Enhancing the Loading Effect of Fe/ZSM Catalyst on Metal Fiber Felt by Pre-assembling SiO 2 Transition Layer for High Efficiency Collaborative Dedusting and Denitrification

催化过滤材料制备及性能研究：通过浸渍法将Fe-ZSM-5催化剂负载于金属纤维滤材（MFF），采用SiO2过渡层预处理提升负载效果与结构稳定性，实现300℃下>90%脱硝效率及99.99%过滤效率，解决高温催化与过滤材料协同难题。

　　

魏王|吴美华|赵芳宁|罗向波|王远泽|吴祖恒|鲍晓军|李永照|刘忠良|陈怀印|蔡伟龙

福州大学化学工程学院，中国福州350116

摘要

协同过滤技术对于去除粉尘和氮氧化物（NO_x）至关重要，这对空气质量控制具有重要意义。然而，由于催化剂载荷能力的不足，高效除尘和脱氮的结合面临重大挑战。本文首次采用浸渍法将Fe-ZSM-5（FZSM）催化剂负载到金属纤维毡（MFF）中，制备出催化过滤材料（CFM）。研究了球磨时间、浆料比例、粘合剂、预处理和加热过程等因素对载荷效果的影响。值得注意的是，在MFF上预先组装SiO₂过渡层的预处理显著提高了催化剂的载荷效果，成功构建了MFF基底—SiO₂过渡层—催化剂层的结构。此外，还探讨了预先组装的SiO₂过渡层在改善裂纹方面的作用机制。制备的CFM具有优异的载荷效果和良好的性能：其催化剂的超声脱落率较低（0.69%），空气渗透性良好（43.76 L/dm²·min），并且在300 ℃时的脱氮效率超过90%。尽管阻力增加了191.87 Pa，CFM的过滤性能仍然保持良好。滤饼的存在通过统一内部流场和延长气体与催化剂之间的接触时间，有效提高了脱氮效率。结果表明，该CFM在高温除尘和脱氮领域具有广泛应用潜力。

引言

随着经济的快速发展，大气污染问题日益严重。氮氧化物（NO_x）和颗粒物（PM）是两大主要空气污染物，是导致严重空气污染的原因[1],[2],[3]。NO_x和PM的持续排放会导致多种环境问题，并影响动植物和人类健康[4],[5],[6]。目前主流的NO_x去除方法包括高温、中温和低温下的NH₃选择性催化还原（SCR）技术，这些技术显著降低了NO_x的排放[7],[8],[9]。该技术因效率高、运行安全且无二次污染而得到广泛应用[10]。最近，无机催化剂与过滤材料的结合实现了NO_x和粉尘的联合去除，引起了研究人员的兴趣。在脱氮和除尘过程中，首先通过NH₃-SCR方法去除NO_x，然后再进行除尘[11]。但这种方法需要额外的空间和处理成本，因为粉尘和脱氮需要通过独立单元进行[12],[13],[14]。因此，开发兼具除尘和脱氮功能的催化过滤材料（CFM）对于简化工艺流程、降低投资和能耗至关重要。

目前，广泛使用的基于化学纤维的催化过滤袋最高耐温极限约为250 ℃。然而，在此温度范围内，SCR催化剂的活性不足、寿命短、价格高且容易受到SO₂/SO₃的毒害[15],[16]。这导致长期运行成本增加和脱氮效率波动较大。相比之下，中高温（>300 °C）SCR催化剂技术成熟，具有宽活性窗口、良好的稳定性、低成本和抗硫毒性。但这类催化剂的工作温度超出了化学纤维过滤袋的耐温极限，导致相应的催化化学纤维过滤袋迅速老化失效。因此，寻找适用于中高温催化剂的过滤材料至关重要。

MFF在400 ℃以上可稳定工作很长时间，具有优异的机械强度、抗热震性和耐腐蚀性，有助于实现脱氮效率、催化剂寿命和材料成本的同步优化。因此，将中高温催化剂与MFF结合使用是一种理想的解决方案，既能实现高效脱氮，又能保证经济性和系统可靠性。然而，催化剂与金属过滤袋之间的界面协同作用仍是该技术实施的核心难题。

近期，催化剂在过滤材料上的负载技术引起了研究人员的关注。陈等人通过氧化还原法成功将MnO₂-Fe₂O₃催化剂沉积在PPS过滤毡表面，在低温NH₃-SCR条件下表现出更好的脱氮性能[17]。张等人通过浸渍法将V2O₅-WO₃/TiO₂催化剂负载到PTFE上，制备出催化过滤袋[18]。在实际垃圾焚烧炉烟气条件下，NO转化率和除尘率分别达到了70%和99.8%。

对于CFM而言，催化剂与过滤材料的结合对其性能和服务寿命至关重要[19]。目前主要的催化剂负载方法包括浸渍法、涂层法、原位沉积法等[20]，其中浸渍法在催化剂负载中应用广泛[21],[22]。该方法制备催化过滤材料工艺简单，对生产规模要求低，但存在催化剂与过滤材料通过物理吸附结合的缺点，导致脱氮效率波动较大。因此，优化浸渍过程并开发具有高效脱氮性能、良好过滤特性和简单工艺的催化过滤材料具有重要的实际意义。

ZSM-5催化剂在高温脱氮领域受到广泛关注[23],[24],[25]。它具有优异的脱氮催化活性和分散良好的活性元素。研究表明，Fe-ZSM-5（FZSM）具有较大的比表面积、强吸附能力和高温下的良好催化活性以及优异的NO_x去除效率[23]。因此，选择MFF与Fe-ZSM-5（FZSM）结合，开发用于除尘和脱氮的集成金属功能催化过滤材料，对高温过滤和分离技术的发展具有重要意义。

本文通过优化的浸渍工艺将FZSM催化剂负载到MFF基底上，制备出具有良好过滤和脱氮性能的CFM。通过分析负载后的催化效率、复合材料的牢固度以及载荷后的金属复合过滤材料的过滤效率来评估载荷效果。具体测试分析了所得CFM的超声脱落率、空气渗透性、除尘率和脱氮效率。此外，利用Geodict模拟了CFM的过滤和脱氮之间的内在关系，提出了可能的除尘和脱氮效率机制。本研究提供了一种简单、经济且可扩展的CFM制备方法，旨在促进催化袋过滤器在工业应用中的实际应用。

材料

FZSM催化剂是在实验室制备的，详细制备方法见补充材料。MFF（1793.7 g/m²）由厦门大环保有限公司提供，其微观结构如图S1所示。可见，MFF的孔隙由直径在20-35 μm之间的金属纤维堆叠形成，孔隙率和厚度分别约为60%和450-500 μm。

FZSM催化剂的负载

FZSM的粒径对其负载形态和牢固度有重要影响。FZSM在水中的分散性以及球磨前后的SEM图像（图S2-3）表明，球磨减少了FZSM的粒径和分散性。图S4（a）显示了球磨前后FZSM催化剂的粒径分布，球磨9小时后FZSM的粒径显著减小，D90为2.75 μm，D50为...

结论

综上所述，我们首次基于MFF的特性，采用浸渍法成功制备出了FZSM基CFM。研究发现，当FZSM的负载量为10 wt%且球磨时间为9小时时，其在MFF中的分散性更好。此外，MFF基底-SiO₂层-催化剂的三层耦合结构有效利用了它们之间的相互作用，解决了因催化剂层开裂引起的技术问题。

CRediT作者贡献声明

蔡伟龙：撰写——审稿与编辑、资源获取、方法学研究、资金筹集、数据分析、概念构建。魏王：撰写——初稿撰写、数据可视化、数据分析、概念构建。赵芳宁：数据可视化、验证、数据分析、概念构建。罗向波：方法学研究、实验设计、数据分析、数据管理。吴美华：撰写——审稿与编辑、方法学研究、资金获取、数据分析、概念构建。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号22378071和22308060）、国家重点研发计划（项目编号2022YFB3804905）、福建省自然科学基金（项目编号2023J01244）、福建省青年科技人才培育项目（项目编号30225008）以及导向实验室项目（项目编号00621005）和人才科研启动项目（项目编号00524007）的资助。