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基于芳烃制备的生物质基催化的设计制备和反应性能

王洪超  
【摘要】:随着化石能源的日渐枯竭,可替代能源的开发问题亟待解决。生物质能作为一种可持续和可再生的绿色能源,在热解条件下能获得富含高值化学品的生物油。催化剂在生物质催化热解过程中起到了至关重要的作用,生物质基催化剂具有孔隙结构发达,孔径便于调控,制备简单,价格便宜等特点,在生物质催化热解制备高值化学品方面优势明显。本研究以核桃壳、棕榈壳、麦秸、松木为原料制备生物质基催化剂载体,并以HZSM-5分子筛催化剂作为对比。果壳类生物质尤其是棕榈壳是制备催化剂载体的最佳材料。对比研究了碳化法和活化法制备生物质基催化剂载体,结果表明,热解温度对催化剂载体的物化性质具有显著的影响。随着温度的升高(600-850 ~o C),催化剂载体的比表面积为36.70-365.52 m~2·g~(-1),孔径在1-4 nm之间;活化时间是影响催化剂载体结构的重要因素,随着水蒸气活化时间的延长,催化剂载体的比表面积最高可达1175.86 m~2·g~(-1),平均孔径2-5 nm,最可及孔径为1.48 nm,微孔和介孔同时存在,多孔结构发达。炭化温度为800~oC时获得的生物质基催化剂载体(800BC),在600 ~oC下催化热解微藻/棕榈壳制备芳烃,可得38.94 area%的芳烃产物。利用水蒸气活化50 min的催化剂载体(50minBC),热解反应可以获得芳烃选择性达49.53 area%的生物油,是无催化剂条件的2.37倍。并且,生物质基催化剂载体的循环使用性优于HZSM-5催化剂。金属活性组分采用湿式浸渍法负载于生物质基催化剂载体上,考察金属活性组分种类,负载量和活性组分与催化剂载体结构的协同作用对芳烃选择性的影响。在引入的四种金属活性组分(Cu,Mg,Zn,Ni)中,Mg对芳烃产物的促进效果最显著。负载量为3wt.%的Mg-800BC催化剂对应的生物油中芳烃相对含量为49.10 area%。50minBC催化剂载体与Mg活性组分结合能进一步提高生物油中芳烃含量,能达到70.394 area%,其中苯,甲苯,乙苯含量显著提高。失活后的催化剂再生实验显示,采用水蒸气活化法能有效去除催化剂表面的结焦,活化时间为20 min时,再生后的生物质基催化剂可获得含62.52 area%的芳烃产物。本文为生物质基催化剂在生物质转化制备芳烃方面的应用提供了基础研究。


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