生物炭负载多元纳米金属材料对焦油的催化裂解性能研究

发布时间：2020-07-18 06:36

【摘要】：生物质作为当今重要的清洁能源,具有很大的发展潜力,生物质热解过程中产生的焦油往往会对传输管道、环境和人体造成巨大的危害,然而生物质焦油成分复杂且难以去除,所以焦油是生物质利用的一个难题。本文提出以生物质热解废弃物生物炭作为载体,采用溶胶凝胶法制备出纳米级别的Ni-Fe材料,考察其对焦油模拟物甲苯的催化裂解性能,并以实际的焦油为对比,研究其对二者的催化裂解机理。原始生物炭具有丰富的孔隙结构,存在细颈瓶状孔和开放型的孔;生物炭比表面积303.47 m~2/g,平均孔径4.21 nm,具有良好的吸附性能;负载金属后,材料的比表面积和孔径变小,吸附量下降。XRD和XPS分析结果表明,负载金属均匀分散在生物炭载体表面,并以Fe_2O_3,NiO,NiFe_2O_4的形式存在。随着温度的升高、负载量的增加、水蒸汽/生物质炭比的提高和气体停留时间的增长,甲苯的催化裂解性能逐渐提高并趋于稳定,。材料的活性在8h后开始下降。基于以上实验得到最优的反应条件:温度为800℃、Ni和Fe的负载量分别为6%、水蒸汽/生物质炭比为1、气体停留时间为0.5s。此时,甲苯的去除率为96.61%,H_2、CH_4、CO、CO_2的相对含量为36.45%、0.029%、0.16%、0.05%。在最优条件下研究材料对甲苯的催化裂解过程:甲苯在材料催化裂解作用下生成小分子气体产物(H_2、CO、CO_2、CH_4)等,同时在生物炭表面产生积碳。催化裂解后材料的孔径变小,孔道被灰分和积碳堵塞,吸附量进一步下降,并且金属活性组分被还原为部分Ni和Fe的单质。甲苯的催化裂解反应和生物炭的水蒸汽气化反应动力学研究证明其分别符合一阶整体动力学模型和未反应收缩核模型。在最优条件下研究材料对实际焦油的催化裂解效果和催化裂解过程。在焦油中定性出有机物86种经char,Fe-6/char,Ni-6/char,Ni-6-Fe-6/char催化裂解后有机物种类分别降为84,83,75,62种。char、Fe-6/char,Ni-6/char和Ni-6-Fe-6/char催化裂解后单芳香烃含量增多,杂环、轻多环芳香烃和重多环芳烃含量减少。焦油分子经过材料催化裂解后,焦油中的大分子多环芳烃、杂环化合物会转化为小分子的单环芳烃。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.1;TQ524
【图文】：

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文（1）生物炭负载多元纳米金属材料对甲苯的裂解性能研究：在最佳条件下制备出四种材料，char，Ni/char，Fe/char，Ni-Fe/char 并进行结构表征（SEM、BET、XRD、XPS）。采用焦油模拟物甲苯在不同的材料下裂解，对甲苯去除率和气体产物进行测定，研究不同温度，负载量，停留时间，蒸汽加入量，催化时间对甲苯的裂解效果，确定最佳的材料及反应条件。（2）最佳条件下甲苯的催化裂解机理研究：利用 SEM、BET、XRD 和 XPS表征手段对反应前后四种材料进行具体分析，考察甲苯催化裂解后气体成分，揭示催化裂解机理，并研究甲苯的催化重整裂解动力学。并以实际的焦油作对比，分析反应前后化合物种类及其含量的变化，揭示焦油催化裂解机理。1.6.3 技术路线本课题的技术路线如下图 1-1 所示：

量计；3-阀门；4-蒸发器；5-注射泵；6-管式炉；7-材料；8乙醇的广口瓶；11-装有干燥剂的广口瓶；12-湿式气体流量控制器图 2-1 实验装置图与检测方法定之后的生物炭气化率的确定：生物炭材料在经催化裂水分反应会造成生物炭重量的减少。反应结束后，待反物炭材料取出，称取生物炭材料前后的重量，即可得之后甲苯去除率的确定：在反应器后连接冷凝器和广，可将有机物溶于其中并称量广口瓶的重量，称出收质量，然后将得到的结果相减即可，此重量差可估算

（C）Fe-6/char （D）Ni-6-Fe-6/char图 3-1 催化剂的 SEM 图本研究对 char，Fe-6/char，Ni-6/char，Ni-6/Fe-6/char 等展开了相应的探讨并据此绘制出相应的图。结果如图 3-1 所示。从图中可以看出，生物质原料生物炭具有孔隙结构、表面不均匀、孔隙大小和分布不均匀的特点。负载 Ni、F和 Ni-Fe 金属后，金属分散在生物炭表面和生物炭的孔道上。通过相应的能谱分析可知，在负载金属之前，生物质生物炭中的主要元素是 C，此外还有 K 和Ca。这是因为生物质生物炭中含有大量的 C，此外还会有少量 SiO2的存在，这也反映在 XRD 中。Char 改性后，从能谱图中可以看到分别在 Fe-6/char，Ni-6/char，Ni-6/Fe-6/char 负载了 Fe、Ni 和 Ni/Fe 金属。3.2.3 材料的 BET 分析

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本文编号：2760551