新型复合分子筛催化下生物质热解特性研究

摘要

生物质催化热解是将低品位生物质能转变为液体燃料的有效途径之一，是生物质在无氧或缺氧条件下加入催化剂反应，最终生成生物油和可燃性气体的过程。生物质热解产生的生物油，可以作为燃料使用。但是生成的生物油成分复杂，热值较低、酸性强且不稳定，从而限制了生物油的大规模使用。添加合适的催化剂可以改变生物质的热解过程从而改善生物油的品质，因此寻找适当的催化剂是至关重要的。同时还需要从生物质热解过程机理着手，诱导生物质的热解过程朝着期望的方向进行。本文基于生物质的成分构成，对生物质组分催化热解的机理进行了较为系统的理论和实验研究。
　　本文采用分子筛硅铝源法结合两步晶化法制备微孔-介孔复合分子筛催化剂，并比较了它与商业购买的β(微孔分子筛催化剂)、MCM-41(介孔分子筛催化剂)的物理结构和化学性能。采用商业购买的微晶纤维素和木质素磺酸钠作为原料，通过热重傅立叶红外联用技术(TG-FTIR)对比分析了它们在不同催化剂作用下以及没有催化剂作用下的热解行为。研究发现不论是微晶纤维素还是木质素磺酸钠，相比之下催化热解过程的最终残留物较少，说明添加催化剂有助于它们的降解。另外，通过等转化率法、Popescu法结合双外推法求解纤维素、木质素催化热解过程中的表观活化能(E)、指前因子(A)和反应机理函数。计算结果与热重分析结果相对一致:加入催化剂以后纤维素和木质素热解的表观活化能有所降低，并且自制的复合分子筛催化剂更大程度地降低了纤维素以及木质素的热解表观活化能，说明自制的催化剂更加有助于这两种组分的降解。也就是说，自制的催化剂对于纤维素以及木质素热解的催化效果更佳。纤维素的催化热解外推活化能为23.268KJ/mol。热解机理函数:积分形式为G(α)=α+(1-α)ln(1-α);微分形式为f(α)=[-ln(1-α)]-1。木质素的催化热解温度范围较广(200-550℃)，外推活化能为422.043KJ/mol。热解机理函数:积分形式为G(α)=[-1n(1-α)]4;微分形式为f(α)=1/4(1-α)[-ln(1-α)]-3。
　　运用热裂解色谱质谱联用技术(Py-GCMS)探究了典型工况下纤维素、木质素热解的产物组成和产物分布。纤维素的催化热解过程生成了较多的酮类、醛类、呋喃类、酯类以及烃类物质。纤维素热解的分析结果表明在复合分子筛催化剂作用下比在其他两种催化剂作用下生成了更多的酮类、酯类、糖类和酚类物质。木质素的热解产物种类较多，主要生成了酚类、芳香烃类、酮类以及糖类等。对比发现自制的催化剂可以促进木质素热裂解生成更多的愈创木酚。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1引言

1．2生物质的组成结构

1．2．1纤维素

1．2．2半纤维素

1．2．3木质素

1．3生物质能的开发利用

1．3．1直接燃烧技术

1．3．2热化学转化技术

1．3．3生物化学转化技术

1．3．4物理转化技术

1．4生物油的提质改性技术

1．4．1催化加氢

1．4．2催化裂解

1．4．3催化酯化

1．5生物质催化裂解技术研究现状

1．6本课题研究思路和内容

1．6．1研究思路

1．6．2研究内容

第2章实验部分

2．1试验原料

2．3．2 X-射线衍射(XRD)

2．3．3 N2等温吸附-脱附

2．3．4 NH3程序升温脱附(TPD)

2．3．6热裂解-色谱质谱联用分析(Py-GCMS)

2．4生物质组分催化热解动力学模型

2．4．1等转化率法

2．4．2 Popescu方法

2．4．3双外推法

2．5本章小结

第3章催化剂的制备与表征

3．1催化剂的制备

3．2催化剂的表征

3．2．1扫描电镜(SEM)

3．2．2 X射线衍射(XRD)

3．2．3 N2等温吸附-脱附

3．2．4 NH3吸附-脱附(TPD)

3．3本章小结

第4章纤维素催化热解动力学及机理

4．1纤维素热解动力学分析

4．1．1等转化率法求解纤维素热解动力学参数

4．1．2 Popeseu法筛选机理函数

4．1．3双外推法求解动力学参数

4．2纤维素热解产物析出过程

4．3 Py-GCMS分析纤维素热解析出挥发分

4．4本章小结

第5章木质素催化热解动力学及机理

5．1木质素热解动力学

5．1．1等转化率法求解木质素热解动力学参数

5．1．2 Popeseu法筛选木质素热解的机理函数

5．1．3双外推法求解木质素热解动力学参数

5．2木质素热解产物析出过程

5．3 Py-GC/MS分析木质素热解析出挥发分

5．4本章小结

第6章全文总结

6．1本文结论

6．2本文研究创新之处

6．3本文研究展望

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢