在环境问题日益突出的今天,NOx污染引起的光化学烟雾、酸雨等环境问题已受到人们的广泛关注,为了适应未来更加严格的环境法规的要求,控制NOx排放已成为当务之急。以氨气为还原剂的选择性催化还原(Selective catalytic reduction,SCR)被广泛用来脱除废气中的NOx,常用的催化剂为金属氧化物、沸石、活性炭等。尽管这些方法是有效的,但依然存在反应温度过高、反应体积过大、氨气泄漏造成二次污染等问题。此外,这些方法在低浓度和常温下不能有效脱除NOx,研制具有良好低温活性和稳定性的新型催化剂成为近期国内外该领域的热点。活性炭纤维(Activated carbon fiber,ACF)不仅具有比表面积大、良好的孔径结构及丰富的表面基团,而且还有良好的负载性能和还原性,因此,以ACF为催化剂或催化剂载体的低温选择性催化还原NO技术具有较好的研究和开发应用前景。 论文阐述了NOx的来源、危害、污染现状及其排放控制技术,综述了NOx脱除的国内外研究现状。概括了ACF的组成、制备、表面特性及改性方法等,综述了ACF用于脱除NOx的研究进展。对介质阻挡放电(Dielectric-barrier discharge,DBD)的基本特性及其在材料改性中的应用进行了概述。 应用DBD低温等离子体和硝酸对粘胶基活性炭纤维(Viscose-based activated carbon fiber,VACF)进行改性并用于负载钒催化剂,研究改性对VACF表面特性的影响,研究VACF表面特性与催化性能和负载催化剂机理的关系,并阐述了ACF低温选择性催化还原NO的机理,分析ACF低温选择性催化还原NO的主要影响因子,主要研究内容和结论如下： (1)通过改变DBD低温氮等离子体的改性电压和改性时间对VACF进行改性,表征结果表明,氮等离子体改性(Nitrogen plasma modification,NPM)可以在特定的操作条件下在微观层面上对VACF表面结构进行修饰；可以改变VACF的表面官能团。所以,在特定的条件下,NPM可以改变VACF表面特性,是一种具有应用前景的改性方法。 (2)改性VACF经过长时间的SCR反应后,其性能并没有受到剧烈的破坏,经过反复实验表明,VACF在较长的时间范围内(>2d)和较高的温度下(180℃),其催化活性随着时间的的推移不但没有下降反而逐渐缓慢地上升。低温时VACF主要起到吸附浓缩的作用,较高温度时才起到催化剂作用。 (3)SCR反应的场所主要是微孔内表面或外表面,它们在反应过程中对反应物进行竞争吸附,内表面的竞争力来自于微孔的吸附势,外表面的竞争力主要来自于各种具有吸附力的活性官能团。由于改性时外表面生成一些活性官能团,使得外表面在SCR过程中具有较强的竞争力,所以改性过的样品,反应主要在外表面进行,而未改性的样品由于微孔的吸附势占优势,反应主要在微孔内表面进行。反应场所的不同将导致不同的孔结构特性的变化。 (4)SCR反应后VACF表面的孔结构特性及表面化学性质均发生了显著的变化。VACF表面的官能团在SCR中起了重要的作用,吡啶酮和嘧啶等碱性的含氮官能团对VACF吸附或催化还原NO具有促进作用,C-C和羧基等官能团参加了SCR反应过程而消耗掉从而导致孔结构的变化。 (5)氧等离子体改性(Oxygen plasma modification,OPM)或硝酸改性(Nitric acid modification,NAM)后VACF表面有大量的含氧官能团生成,提高了VACF表面的亲水性。用具有高度发达多孔性结构和表面上有更丰富酸性官能团的VACF作载体负载钒催化剂,以获得高分散性和高负载量的钒催化剂体系是可行的。同时,OPM和NAM使负载钒催化剂的VACF具有更高的催化活性,使VACF在SCR中具有一定的应用前景,但需要深入研究如何优化OPM的条件参数。 (6)炭纤维的表面特性与其吸附性能和负载催化剂的机理有重要的关系。影响VACF负载催化剂的因素主要有两个,一是VACF表面的微孔结构,二是VACF表面官能团的含量及分布。这两个因素对负载催化剂影响程度的不同直接导致催化剂体系表面结构的不同,最终影响了催化剂体系的催化活性。