铜锰复合催化剂催化氧化CO 技术应用研究

罗加强 李梅芳 杨建平 王晓光

（中核燃料沧州有限公司，河北 沧州 061000）

0 引言

同位素C-13 是一种优良的示踪材料， 具有稳定的化学性能，且无放射性，已在生物化学、营养学、药物代谢、医学及临床诊断等研究领域得到广泛应用。

在C-13 稳定同位素生产过程中， 转化和提纯是特别重要的环节，C-13 产品的纯度取决于分离与转化技术的高低。 目前，在科研项目中试阶段，CO 的转化采用燃烧室内电子点火氧化方式进行；然而该氧化方式存在操作流程复杂、氧化效率低、氧化条件苛刻、不易点燃等问题， 因此需要开发一种更高效安全的CO 氧化技术， 促进离心法生产稳定同位素的多技术融合与产业化发展。

催化剂催化氧化CO 技术是一种高效、节能、环保的氧化技术，是治理VOCs 和CO 最有效的技术之一。催化氧化CO 技术的应用研究在化工产业、 化学燃料燃烧以及机动车尾气排放等领域受到人们的广泛关注。 因此，许多检测和净化CO 装置设备应运而生，同时对CO 的处理条件及效果有了更高的要求。 尤其在CO 的低温（＜100℃）转化方面，催化氧化是CO 转化的研究热点，经过不断的研究和探索，已经发展了各种具有CO 催化氧化能力的催化剂，目前用于催化氧化CO 的催化剂主要有负载型Au、Pt、Pd 贵金属催化剂和非贵金属催化剂。

铜锰复合催化剂是非贵金属催化剂的一种， 相比于贵金属催化剂，它具有价格低廉、合成快捷等优点，由于其优异的催化性能， 广泛应用到实际CO 常温催化消除反应中。本文主要介绍铜锰复合催化剂在C-13 稳定同位素生产过程中催化氧化CO 技术的应用研究。

1 试验部分

1.1 催化氧化原理

与单一催化剂相比，铜锰复合催化剂表现出更高的反应活性，研究人员将其归因于各组分间的协同作用使得金属中具有更多可以利用的能级轨道。 早在1986 年，S.Veprek 等学者就详细阐述了铜锰复合催化剂催化氧化CO 时的协同作用：

CO 和O均被Cu 或Mn 吸附并活化，相邻近的这两种吸附态的分子在催化剂的表面发生反应，生成的CO从催化剂表面脱附，从而达到催化氧化的目的。

1.2 试验试剂及装置

CO 催化氧化试验设备及配套装置如图1 所示，由中北大学联合催化新材料院士工作站共同搭建，可实现配制（CO、O、N）混合气体，气体加热、CO 催化氧化、CO吸收（鼓泡和淋洗）多重功能，可对配制气体、催化氧化气体和吸收气体中的CO 及CO浓度进行切换检测。

图1 CO 催化氧化试验装置示意图

主要试验设备及仪器规格见表1。

表1 主要试验设备及仪器

1.3 试验方法

试验前需检查设备管路是否连接好，密封性是否合格，仪表是否校验正常，阀门是否处于正确的位置。分别打开气瓶（CO、O、N）总阀，调节减压阀，调节稳压阀调节流量，使流量达到规定的要求，待各流量计稳定达到正常值时，开始试验。

试验第一阶段，配制一定比例的（CO、O、N）混合气体，装填不同量级的催化剂，记录出口CO 及CO浓度，分析催化剂装填量对CO 转化率的影响。

试验第二阶段，装填一定量级的催化剂，调节稳定流量的（O、N）混合气体，再调节不同流量的CO 气体， 记录出口CO 及CO浓度， 分析进口CO 流量对CO 转化率的影响。

试验第三阶段，装填一定量级的催化剂，调节稳定流量的（CO、N）混合气体，再调节不同流量的O气体，记录出口CO 及CO浓度，分析进口O流量对CO转化率的影响。

试验第四阶段，配制一定比例的（CO、O、N）混合气体， 通过加热段的气体加热升温， 记录出口CO 及CO浓度，分析温度对CO 转化率的影响。

2 试验结果与讨论

2.1 催化剂装填量的影响

打开氮气瓶总阀和减压阀，调节氮气稳压阀调节流量0.12 Nm/h，打开氧气瓶总阀和减压阀，调节氧气稳压阀调节流量0.5 NL/min，打开CO 气瓶和减压阀，调节稳压阀调节流量10 mL/min，分别装填20 mL（13 g）、60 mL（38 g）、100 mL（64 g）的催化剂，记录出口CO 及CO浓度。

从图2、图3 可以看出，随着催化剂装填量增加，当催化剂装填量高于60 mL 时，开始阶段出口CO 浓度下降更快，出口CO浓度更快达到平衡值。

图2 CO 浓度-时间曲线图

图3 CO2 浓度-时间曲线图

2.2 CO 进口浓度的影响

催化剂装填量为100 mL （64 g）， 装填在催化管内。 打开氮气瓶总阀和减压阀，调节氮气稳压阀调节流量0.12 Nm/h，打开氧气瓶总阀和减压阀，调节氧气稳压阀调节流量0.5 NL/min，打开CO 气瓶和减压阀，调节稳压阀调节流量，稳定运行2 h，记录出口CO 和CO浓度。

在试验中， 出口的CO 浓度均在4～6 min 后降为0， 而在科研项目中试阶段，CO 的进口流量为10 mL/min，在0～50 mL/min 的范围内。

当CO 流量在0～50 mL/min 的范围， 出口的CO浓度随CO 流量的增大而增大。

2.3 O2 浓度的影响

催化剂装填量为100 mL（64 g），打开氮气瓶总阀和减压阀，调节氮气稳压阀调节流量0.12 m/h，打开氧气瓶总阀和减压阀， 调节氧气稳压阀调节流量，打开CO 气瓶和减压阀， 调节稳压阀调节流量10 mL/min，稳定运行，记录出口CO 和CO浓度。

在试验中， 出口的CO 浓度均在4～6 min 后降为0，CO 均可全部转化为CO。

当O流量在0.1～0.5 NL/min 的范围时， 出口的CO浓度随O流量的增加而降低。

2.4 催化过程温度变化的影响

催化剂装填量为100 mL（64 g），打开氮气瓶总阀和减压阀，调节氮气稳压阀调节流量0.12 m/h，打开氧气瓶总阀和减压阀，调节氧气稳压阀调节流量0.5 NL/min，打开CO 气瓶和减压阀，调节稳压阀调节流量10 mL/min，记录出口CO 和CO浓度。

在试验中，出口的CO 浓度均在4～6 min 后降为0。

催化剂在常温下可以将CO 全部转化为CO，转化率不受催化剂床层的温度变化影响，在高低温下均保持很高的催化活性及稳定性。

3 结语

（1） 当催化剂装填量高于60 mL，O流量在0.1～0.5 NL/min 范围内， 铜锰复合催化剂对CO 气体的转化率可达到100%，可以实现连续的催化和氧化。

（2）催化剂不需要预热，转化率不受催化剂床层的温度变化影响，在高低温下均保持很高的催化活性及稳定性。

（3）在CO 催化氧化过程中放出大量的热，工业化应用中应考虑采用换热器进行换热，防止床层温度过高使催化活性组分烧结。