生物质催化热解ZSM-5催化剂的改性研究和性能评价

摘要

在能源紧缺、环境污染严重的现代社会，生物质作为唯一可转化为液体燃料的含碳清洁无污染可再生能源，近年来备受关注。生物质催化热解技术是制备高品质生物油和化学品的极具潜力的技术之一，但热解过程中催化剂易结焦失活造成产物产率及选择性低下，所以开发高性能抗积碳催化剂对生物质催化热解技术至关重要。本文采用液相化学沉积(CLD)和酸处理两种方法对催化剂进行了改性研究，并借助多种表征手段、生物质及衍生物催化转化试验对改性前后催化剂的物相结构和催化性能进行测试，获得催化剂改性方法中的最优改性工艺参数。
　　通过CLD对ZSM-5催化剂表面进行SiO2沉积，分析了改性前后催化剂物相结构的变化，在小型微反试验装置中通过对呋喃催化转化试验，考察了SiO2沉积量、CLD处理时间、CLD处理温度及先驱反应物等对产物产率和选择性的影响，并在Py-GC/MS装置上进行了改性催化剂作用下松木屑热裂解试验研究。结果表明，ZSM-5催化剂表面沉积SiO2后，骨架结构完整，外表面酸位点钝化，且SiO2对孔径具有修饰作用。改性催化剂在呋喃热解中显著提高了烯烃、芳香烃的产率以及丙烯和甲苯的选择性，同时降低了催化剂表面的结焦率，其中性能最优的改性ZSM-5催化剂的制备工艺条件为:以硅烷偶合剂KH550为先驱反应物，SiO2沉积量为4％，CLD处理温度为20℃，CLD处理时间为6h。在该工况下制备的改性催化剂作用下，呋喃热解中烯烃和芳香烃的产率由未处理催化剂时的9.8％、18.8％提高到16.5％、24.5％，催化剂表面结焦率由44.1％降低至26.7％。
　　利用酸处理法对ZSM-5催化剂进行表面脱铝，分析了脱铝后催化剂物相结构的变化，研究了酸的种类、酸（氢离子）的浓度、酸处理温度、酸处理时间对呋喃热解中产物产率、选择性和催化剂表面结焦率的影响。结果表明，改性后的ZSM-5催化剂骨架结构基本未被破坏，比表面积及孔体积与未处理催化剂保持一致，孔径略有增大，催化剂外表面硅铝比明显升高，酸量下降。改性后催化剂在呋喃热解中提高了抗结焦能力，烯烃和芳香烃产率升高，乙烯、丙烯、甲苯选择性升高。催化性能较优的改性催化剂的制备工艺条件为:磷酸（氢离子）浓度为2 mol/L，酸处理时间为4h，酸处理温度为20℃。该催化剂作用下，烯烃和芳香烃产率为16.1％、32.4％，乙烯、丙烯的选择性为51％、41.1％，催化剂表面结焦率为26.8％。在松木屑热裂解试验中，改性催化剂显著提高了小分子产物的产率和苯、甲苯、二甲苯的选择性。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 生物质催化热解研究进展

1．2．2 催化剂结焦特性研究进展

1．2．3 催化剂改性方法研究进展

1．3 本课题研究内容、目的及技术路线

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究内容

1．3．3 技术路线

第二章 液相化学沉积法改性ZSM-5催化剂及其性能研究

2．1 前言

2．2 试验部分

2．2．1 主要化学试剂、试验装置

2．2．2 试验过程

2．2．3 改性ZSM-5催化剂的表征方法

2．2．4 数据处理

2．3 试验结果与讨论

2．3．1 液相化学沉积法(CLD)改性ZSM-5催化剂的表征分析与讨论

2．3．2 先驱反应物对改性ZSM-5催化剂催化性能的影响

2．3．3 二氧化硅沉积量对改性ZSM-5催化剂催化性能的影响

2．3．4 CLD处理时间对改性ZSM-5催化剂催化性能的影响

2．3．5 CLD处理温度对改性ZSM-5催化剂催化性能的影响

2．3．6 改性ZSM-5催化剂对松木屑热裂解产物的影响

2．4 本章小结

第三章 酸处理法改性ZSM-5催化剂及其性能研究

3．1 前言

3．2 试验部分

3．2．1 主要化学试剂、试验装置及试验过程

3．2．2 改性催化剂催化性能测试及数据处理方法

3．3 试验结果与讨论

3．3．1 酸处理法改性ZSM-5催化剂的表征分析与讨论

3．3．2 不同种类的酸对改性ZSM-5催化剂催化性能的影响

3．3．3 氢离子(H+)浓度对改性ZSM-5催化剂催化性能的影响

3．3．4 酸处理时间对改性ZSM-5催化剂催化性能的影响

3．3．5 酸处理温度对改性ZSM-5催化剂催化性能的影响

3．3．6 酸处理改性ZSM-5催化剂对松木属热裂解产物的影响

3．3．7 CLD与酸处理法改性ZSM-5催化剂对比试验研究

3．4 本章小结

第四章 全文总结和展望

4．1 全文主要工作及结论

4．2 展望及建议

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

致谢