三种过渡金属氧化物对生物质微波快速催化热解研究

摘要

与传统化石能源相比，生物质具有蕴藏量大、可再生、对环境破坏小等优点，成为全球研究热点。热解被认为是生物质最有潜力的利用途径之一。
　　本文首先利用微波高温炉对生物质原料进行快速热解实验，考察了最佳实验条件，并在此条件下对典型生物质原料松木、水曲柳和玉米芯进行热解实验，研究三者热解产物产率和成分差异。结果表明，在微波功率800W，微波加热时间12min，载气流量0.3L/min条件下，热解液相产率最大，实验条件最优。松木和水曲柳的热解液相产率均比玉米芯高，其中水曲柳最高，达44.57％。玉米芯液相产物中酸和糠醛含量最高，分别可达36.83％和7.48％;松木热解所得芳香族化合物产率最高，达26.40％.
　　以HZSM-5为载体，用共沉淀法合成过渡金属氧化物催化剂MOx/HZSM-5（MOx代表Fe、Co、Ni的金属氧化物），在微波反应器中对水曲柳进行快速催化热解，考察催化效果。研究发现三种催化剂都有利于液相产率的提高，其中Co3O4/HZSM-5参与催化热解液相产率最高，可达51.8％;三种催化剂均能降低生物油中酸类和酮类的含量，提高芳香族化合物产率，Co3O4/HZSM-5催化作用最明显，芳香族化合物产率可达49.61％;三种催化剂都能够促进G型酚与S型酚转化成结构更稳定的H型酚，NiO/HZSM-5的催化效果更明显;另外，Fe2O3/HZSM-5和NiO/HZSM-5可促进生物质向糠醛和苯酚的定向热解，产率分别可达10.86％和14.60％。
　　最后考察了催化剂Fe2O3/HZSM-5寿命，并分析了失活原因。利用空气烧炭法对其再生，用于热解实验。考察发现，催化剂Fe2O3/HZSM-5的使用寿命大约为70min，其失活主要是由积碳引起。再生的Fe2O3/HZSM-5稳定性较好，对液相产率和生物油品质的提高仍有显著效果。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

1 文献综述

1．1 生物质与生物质能

1．1．1 生物质的概念

1．1．2 生物质的化学组成

1．1．3 生物质能特点与意义

1．2 生物质能开发利用技术

1．2．1 物理转化技术—固化

1．2．2 化学转化技术

1．2．3 生物转化技术

1．3 生物质热解

1．3．1 生物质热解的概念

1．3．2 热解反应的类型

1．3．3 生物质热解的机理

1．3．4 影响生物质热解的主要因素

1．3．5 国内外催化热解研究现状

1．4 本文研究内容

2 生物质微波快速热解制备生物油

2．1 生物质原料

2．2 试剂及仪器

2．3 实验方法与步骤

2．3．1 原料的预处理

2．3．2 热解实验装置

2．3．3 热解实验步骤

2．4 热解产物分析

2．4．1 气、液、固相产率计算

2．4．2 液相产物成分分析

2．4．3 气相产物成分分析

2．5 实验结果与讨论

2．5．1 实验条件的筛选

2．5．2 松木热解产物产率与成分分析

2．5．3 水曲柳热解产物产率与成分分析

2．5．4 玉米芯热解产物产率与成分分析

2．5．5 三种生物质原料热解实验结果对比

3 生物质催化热解实验

3．1 催化的制备与表征

3．1．1 实验原料及设备

3．1．2 制备方法

3．1．3 催化剂的表征

3．2 实验方法

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 Fe2O3／HZSM-5对水曲柳热解产物分布的影响

3．3．2 Co3O4／HZSM-5对水曲柳热解产物分布的影响

3．3．3 NiO／HZSM-5对水曲柳热解产物分布的影响

3．3．4 三种催化剂的催化效果对比

4 催化剂的失活与再生

4．1 催化剂的寿命

4．1．1 实验方法

4．1．2 催化剂的寿命

4．2 失活催化剂的特性

4．2．1 催化剂的积碳分析

4．2．2 催化剂的XRD表征

4．2．3 催化剂的SEM表征

4．3 催化剂的再生

5 总结

参考文献

附录

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果