生物質(zhì)微波裂解制備Fe-AC及其催化性能的研究.pdf

1、活性炭,作為一種多孔的炭材料,具有發(fā)達(dá)的空隙結(jié)構(gòu)和較大的比表面積,其表面具有多種含氧官能團(tuán),再生效果好,是最古老的吸附劑,也被廣泛應(yīng)用做催化劑和催化劑載體。其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展對活性炭的原料質(zhì)量和生產(chǎn)工藝提出了新的要求,促進(jìn)了活性炭生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展。其中,作為催化劑載體,活性炭目前已經(jīng)被應(yīng)用于燃料電池和合成氨工業(yè)中,在其他工業(yè)領(lǐng)域,活性炭載體的研究也在不斷取得新的進(jìn)展。目前,炭載催化劑一般是通過生物質(zhì)基原料經(jīng)炭化、活化制得活性炭,再將催化

2、劑負(fù)載在活性炭上制得?，F(xiàn)階段,隨著其應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展,對炭載催化劑的性能提出了更高的要求,從而促進(jìn)了炭載催化劑在原料選擇和預(yù)處理、制備工藝等方面的發(fā)展。
　　 本論文主要在以下幾個(gè)方面展開工作:針對活性炭的原料灰分含量較高的特點(diǎn),首先對生物質(zhì)原料進(jìn)行脫灰預(yù)處理;在活性炭制備過程中,鑒于灰分對活化和炭化過程的影響,對灰分中主要金屬元素對生物質(zhì)熱分解制備活性炭的影響進(jìn)行了研究;在了解了生物質(zhì)所含灰分的特點(diǎn)后,提出了新的制備炭載催化劑的

3、技術(shù),對所制備的催化劑進(jìn)行了表征;選用催化濕式過氧化苯酚為模型反應(yīng),對采用不同技術(shù)制備的炭載鐵催化劑的催化性能進(jìn)行了對比。
　　 對生物質(zhì)灰分的含量和組成研究表明,生物質(zhì)中的灰分含量受生物質(zhì)種類,粒徑大小等因素影響,相差較大,灰分中的元素組成也有所不同,但是主要金屬元素的組成相似,主要為Ca、Al、Fe、Mg、K、Na。采用篩分和洗滌技術(shù)對兩種生物質(zhì)的灰分進(jìn)行了脫除研究,篩分能使得灰分向小粒徑的顆粒組分中集中,大粒徑組分中灰分含

4、量顯著降低;水洗能去除大約40％的草本生物質(zhì)柳枝稷所含的灰分,但對松樹皮灰分的去除效果較差,僅有約10%的灰分被水洗掉;酸洗能大大提高兩種生物質(zhì)的灰分的去除率。硝酸和鹽酸洗滌松樹皮后的灰分的組成分析表明,90%以上的Ca、Mg、K、Na和60%以上的Al和Fe元素在選定的洗滌條件下被去除。
　　 生物質(zhì)灰分中主要金屬元素的存在對生物質(zhì)裂解失重過程影響較大,金屬的催化作用降低了生物質(zhì)的初始失重溫度,使得失重區(qū)間整體向低溫區(qū)移動(dòng),焦

5、炭產(chǎn)量增加;DTG曲線表明,金屬元素的存在,使得半纖維素的失重區(qū)間變寬,纖維素的裂解的起始溫度提前,從而使得二者失重的溫度區(qū)間的界限變得更加模糊。盡管添加不同元素,以及不同金屬的添加量的生物質(zhì)失重曲線的整體趨勢相似,但是添加不同金屬的試樣,在初始失重溫度,最大失重速率以及其對應(yīng)的溫度等方面,有不同的表現(xiàn)。動(dòng)力學(xué)分析表明,在生物質(zhì)失重的主要區(qū)間內(nèi),失重動(dòng)力學(xué)方程符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,采用兩段擬合的方法,較好的反映了試樣失重的動(dòng)力學(xué)過程。

6、r>　　 目前,微波反應(yīng)器的研制和應(yīng)用,引起了越來越多研究者的關(guān)注,與普通的電加熱反應(yīng)器相比,它能量利用率高,反應(yīng)時(shí)間短,有利于自動(dòng)控制和連續(xù)化生產(chǎn),微波反應(yīng)器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于食品加工、材料科學(xué)、有機(jī)合成等化工領(lǐng)域。微波能夠誘導(dǎo)催化反應(yīng)使得微波制備成型催化劑成為可能。近年來,微波在催化劑的合成方面發(fā)揮了重要的作用,微波輻射在催化劑制備方面相對于傳統(tǒng)的加熱方法,其負(fù)載量及分散度高、處理時(shí)間短、效率高。為制備高活性的催化劑,針對微波的特點(diǎn)

7、,本研究解決了反應(yīng)器的溫度控制和微波場內(nèi)溫度測量技術(shù)。
　　 本文采用TEM、FTIR、XRD、BET等技術(shù)對制備的催化劑進(jìn)行了表征,選用苯酚的催化濕式過氧化降解為模型反應(yīng),對經(jīng)由不同的制備方法制備的Fe/AC催化劑進(jìn)行了催化活性試驗(yàn),結(jié)果表明,采用生物質(zhì)原料脫灰預(yù)負(fù)載技術(shù)制備的催化劑的活性最高,在指定的試驗(yàn)條件下,苯酚的去除率達(dá)到98%以上。針對該技術(shù)制備的催化劑,考察了活化時(shí)間、催化劑的負(fù)載量和活化溫度對催化劑活性的影響,結(jié)

8、果表明,催化劑的負(fù)載量對催化性能的影響不大,在5-15%負(fù)載量范圍內(nèi),催化性能隨著負(fù)載量的增加有輕微提高,到20%的負(fù)載量時(shí),催化活性反而有略微的下降;活化溫度對催化劑性能的影響也相對較小,隨著活化溫度的升高,催化活性提高;另外,催化活性還受到活化時(shí)間的影響,在10-20分鐘范圍內(nèi),隨著時(shí)間的增加,催化活性增加較快,活化時(shí)間達(dá)到20分鐘之后,催化活性有輕微的下降。動(dòng)力學(xué)研究表明,苯酚在Fe/AC催化劑上的濕式氧化分解反應(yīng)遵循表觀二級(jí)反應(yīng)