一种用于总烃中非甲烷总烃去除的催化燃烧管及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于催化环保技术领域，具体涉及一种用于总烃中非甲烷总烃去除的催化燃烧管及其制备方法和应用。
背景技术
非甲烷总烃（NMHC）是指除甲烷以外的其他所有具有挥发性的碳氢化合物的总称，如烷烃、烯烃、芳香烃和含氧碳氢化合物等。当环境中NMHC超过一定浓度时，会对人体健康产生直接危害，且很多挥发性有机物对人体有致癌作用。并且，非甲烷总烃在光照条件下会通过化学反应产生光化学烟雾及臭氧，对人类环境造成不可估量的损害。因此，近年来国家加大了对环境中NMHC的监察力度。
目前用于非甲烷总烃(NMHC)的检测方法主要是色谱法。HJ38-2017标准中指出气相色谱法测量NMHC的含量的检测方法是将气体样品直接注入具有氢火焰离子化检测器的气相色谱仪，分别在总烃柱和甲烷柱上测得总烃和甲烷的含量，两者之差即为NMHC的含量。该方法检测繁琐，且成本较高。除此之外，气相色谱体型庞大，很难做成便携式检测器，无法进行现场监测。针对此问题，目前针对总烃中非甲烷总烃的检测发展了一种催化氧化法。催化氧化法和色谱法的主要区别在于，催化法通过催化氧化除甲烷以外的有机物对甲烷进行分析。催化氧化法的优势在于简化设备构造，方法简单，易于做成便携式检测设备。与此同时，也对非甲烷总烃催化剂的效率和温度窗口提出了更高的要求。
本发明提供一种用于总烃中非甲烷总烃去除的催化燃烧管的制备方法及应用，其目的在于，解决目前检测设备中催化剂效率不高，甲烷损失率高，可操作温度窗口窄，设备构造复杂等问题。
发明内容
为了克服现有检测设备复杂，能耗高，非甲烷总烃转化率低，甲烷损失率高等问题，本发明目的在于提供一种用于总烃中非甲烷总烃去除的催化燃烧管。
本发明的再一目的在于：提供一种上述用于总烃中非甲烷总烃去除的催化燃烧管产品的制备方法。
本发明的又一目的在于：提供一种上述产品的应用。
本发明目的通过下述方案实现：一种用于总烃中非甲烷总烃去除的催化燃烧管，至少包括催化剂和反应管两部分，所述的反应管为长度20-30cm、直径3-5%20cm的不锈钢管或石英管，所述的催化剂包括Co3O4、SiO2和Al2O3，Co3O4的质量分数为20%-30%，SiO2的质量分数为20%-40%，Al2O3的质量分数为40%-50%。
本发明还提供一种用于总烃中非甲烷总烃去除的催化燃烧管的制备方法，主要包括以下步骤：
第一步：沉淀法制备Co3O4/SiO2催化剂
（1）按照Co3O4与SiO2的质量比0.5-1.5称取一定质量的六水合硝酸钴和二氧化硅分散于一定质量的去离子水中，其SiO2的质量浓度为15g/L；
（2）将上述悬浊液置于80℃水浴条件小搅拌0.5h，向其中滴加2M/L碳酸钠溶液至PH=8.5左右，继续搅拌2h；
（3）得到的沉淀过夜陈化，抽滤，用去离子水洗涤，110℃过夜干燥；
（4）得到的前驱体磨碎，于空气气氛下400℃焙烧3h，得到Co3O4/SiO2；
第二步：球磨法制备Co3O4/SiO2/%20Al2O3
根据Al2O3的质量分数为40%-50%，称取一定质量第一步中制备的Co3O4/SiO2和Al2O3，在球磨机中球磨均匀；
第三步：机械压制法制备整体式催化剂
采用机械压制的方法将第二步中球磨好的催化剂压制成型，压制压力为5MPa并筛分，取40-60目的催化剂作为总烃中非甲烷总烃催化燃烧的催化剂；
第四步：装填催化剂
称取一定质量的步骤三中的催化剂装填于不锈钢或石英管中，置于反应管的正中间，催化剂的两端用石英棉固定，得到总烃中非甲烷总烃催化燃烧管。
本发明也提供了一种用于总烃中非甲烷总烃去除的催化燃烧管的应用，用于非甲烷总烃的检测设备中，可检测浓度范围为0-5000ppm。
以甲烷/丙烷等体积混合气模拟甲烷和非甲烷总烃污染气，将实施例4-6中的催化燃烧管用于甲烷和非甲烷总烃催化燃烧，采用FID检测器对反应产物进行分析。温度采用K型热电偶自动控制。
本发明针对目前应用于非甲烷总烃检测设备中鲜有通用型的催化燃烧管的市场空缺，提供了一种非甲烷总烃检测效率高，甲烷损失率低的催化燃烧管，攻克了现有非甲烷总烃检测设备检测效率低的技术难题。催化剂采用沉淀-球磨-机械压制的方法制备，成型的催化剂粒径为0.25-0.45mm。
具体实施方式
实施例1
一种用于总烃中非甲烷总烃去除的催化燃烧管，至少包括催化剂和反应管两部分，反应管为长度为20cm、直径为3cm的不锈钢管，催化剂包括Co3O4、SiO2和Al2O3，Co3O4的质量分数为20%-30%，SiO2的质量分数为20%-40%，Al2O3的质量分数为40%-50%。
按下述步骤制备：
第一步：沉淀法制备Co3O4/SiO2催化剂
（1）按照Co3O4与SiO2的质量比0.5-1.5称取2.73g六水合硝酸钴和1.5g二氧化硅分散于100ml去离子水中，使SiO2的质量浓度为15g/L，得到悬浊液；
（2）将上述悬浊液置于80℃水浴条件小搅拌0.5h，向其中滴加2M/L碳酸钠溶液至pH值8.5左右，继续搅拌2h；
（3）得到的沉淀过夜陈化，抽滤，用去离子水洗涤，110℃过夜干燥，得到前驱体；
（4）得到的前驱体磨碎，于空气气氛下400℃焙烧3h，得到Co3O4/SiO2；
第二步：球磨法制备Co3O4/SiO2/%20Al2O3
根据Al2O3的质量分数为40%，称取第一步中制备的Co3O4/SiO2和Al2O3，在球磨机中球磨均匀；
第三步：机械压制法制备整体式催化剂
采用机械压制的方法将第二步中球磨好的催化剂压制成型，压制压力为5MPa并筛分，取40-60目的催化剂作为总烃中非甲烷总烃催化燃烧的催化剂；
第四步：装填催化剂
称取0.1g步骤三中的催化剂装填于不锈钢管中，置于反应管的正中间，催化剂的两端用石英棉固定，得到总烃中非甲烷总烃催化燃烧管。
对本实施例的反应管进行评价，甲烷/丙烷等体积混合气浓度为200ppm，氧气浓度为10%，反应温度50-350℃,%20在常压环境下进行。
实施例2
一种用于总烃中非甲烷总烃去除的催化燃烧管，至少包括催化剂和反应管两部分，反应管为长度为30cm、直径为5cm的不锈钢管，催化剂包括Co3O4、SiO2和Al2O3，按以下步骤制备：
第一步：沉淀法制备Co3O4/SiO2催化剂
（1）按照Co3O4与SiO2的质量比0.5-1.5称取2.73g六水合硝酸钴和0.75g二氧化硅分散于50ml去离子水中，使SiO2的质量浓度为15g/L，得到悬浊液；
（2）将上述悬浊液置于80℃水浴条件小搅拌0.5h，向其中滴加2M/L碳酸钠溶液至pH值8.5左右，继续搅拌2h；
（3）得到的沉淀过夜陈化，抽滤，用去离子水洗涤，110℃过夜干燥，得到前驱体；
（4）得到的前驱体磨碎，于空气气氛下400℃焙烧3h，得到Co3O4/SiO2；
第二步：球磨法制备Co3O4/SiO2/%20Al2O3
根据Al2O3的质量分数为40%，称取第一步中制备的Co3O4/SiO2和Al2O3，在球磨机中球磨均匀；
第三步：机械压制法制备整体式催化剂
采用机械压制的方法将第二步中球磨好的催化剂压制成型，压制压力为5MPa并筛分，取40-60目的催化剂作为总烃中非甲烷总烃催化燃烧的催化剂；
第四步：装填催化剂
称取0.1g步骤三中的催化剂装填于不锈钢管中，置于反应管的正中间，催化剂的两端用石英棉固定，得到本发明所述的总烃中非甲烷总烃催化燃烧管。
对本实施例制备的反应管进行评价，甲烷/丙烷等体积混合气浓度1000ppm,%20氧气浓度为10%，反应温度50-350℃,%20在常压环境下进行。
实施例3
一种用于总烃中非甲烷总烃去除的催化燃烧管，至少包括催化剂和反应管两部分，反应管为长度为30cm、直径为5cm的不锈钢管，催化剂包括Co3O4、SiO2和Al2O3，按以下步骤制备：
第一步：沉淀法制备Co3O4/SiO2催化剂
（1）按照Co3O4与SiO2的质量比0.5-1.5称取4.10g六水合硝酸钴和0.75g二氧化硅分散于50ml去离子水中，使SiO2的质量浓度为15g/L，得到悬浊液；
（2）将上述悬浊液置于80℃水浴条件小搅拌0.5h，向其中滴加2M/L碳酸钠溶液至pH值8.5左右，继续搅拌2h；
（3）得到的沉淀过夜陈化，抽滤，用去离子水洗涤，110℃过夜干燥，得到前驱体；
（4）得到的前驱体磨碎，于空气气氛下400℃焙烧3h，得到Co3O4/SiO2；
第二步：球磨法制备Co3O4/SiO2/%20Al2O3
根据Al2O3的质量分数为50%，称取第一步中制备的Co3O4/SiO2和Al2O3，在球磨机中球磨均匀；
第三步：机械压制法制备整体式催化剂
采用机械压制的方法将第二步中球磨好的催化剂压制成型，压制压力为5MPa并筛分，取40-60目的催化剂作为总烃中非甲烷总烃催化燃烧的催化剂；
第四步：装填催化剂
称取0.2g步骤三中的催化剂装填于不锈钢管中，置于该反应管的正中间，催化剂的两端用石英棉固定，得到本发明所述的总烃中非甲烷总烃催化燃烧管。
对本实施例中的反应管进行评价，甲烷/丙烷等体积混合气浓度3000ppm,%20氧气浓度为10%，反应温度50-350℃,%20在常压环境下进行。
实施例4
对实施例3中的反应管进行再评价，甲烷/丙烷等体积混合气浓度5000ppm,%20氧气浓度为10%，反应温度50-350℃,%20在常压环境下进行。
催化燃烧管活性评价条件：
以甲烷/丙烷等体积混合气模拟甲烷和非甲烷总烃污染气，将实施例4-6中的催化燃烧管用于甲烷和非甲烷总烃催化燃烧，采用FID检测器对反应产物进行分析。温度采用K型热电偶自动控制。实施例1~实施例3甲烷和丙烷反应的温度区间（丙烷完全转化，甲烷转化率低于5%的温度范围）如下表1：
从上表可以看出，实施例1-4的催化燃烧管对总烃中非甲烷总烃表现出了较好的催化氧化活性，尤其是实施例3中的催化剂，在较低的温度和较宽的温度区间内（260℃-300℃）下可以实现甲烷转化率低于5%，丙烷完全催化氧化。将该催化燃烧管应用于现有检测设备中可以大大简化设备构造，提高检测准确度。
