炭基催化剂在线催化玉米秸秆/聚乙烯共热解制备芳烃的研究

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催化生物质与富氢塑料共热解制备芳烃的综合利用方式得到越来越多的重视。近年来,HZSM-5分子筛催化剂因具有特殊的孔道结构、酸性质,在生物质/塑料共热解制备芳烃过程中,表现出优良的催化效果,但其孔道结构非常的小,初级热解大分子物质极易与其表面酸位点作用形成焦炭,造成催化剂失活。因此,本文选取具有高比表面积、丰富表面官能团、可调节且发达孔道结构的活性炭作为催化剂,开展活化改性活性炭和其作为炭基催化剂催化生物质/塑料共热解制备芳烃实验,改善催化剂因孔道结构小而失活的现象,同时提高高价值芳烃的选择性。本研究为农业废弃物和废弃塑料共热解催化转化制取高价值的芳烃提供了理论依据。首先,开展了炭化温度(600°C,650°C,700°C,750°C)和磷酸浸渍比(0,0.5,1.0,1.5,2.0)对活性炭比表面积、孔道结构及表面官能团和催化热解玉米秸秆/聚乙烯共热解制备芳烃的影响实验。研究结果表明,提高的炭化温度和磷酸浸渍比,提高了炭基催化剂的比表面积、孔容并引入了含磷官能团,对生物油中芳烃选择性的提高具有促进作用。最大芳烃的相对含量为86.11%,炭基催化剂的制备工艺参数为:700°C炭化温度和1.0磷酸浸渍比,此时,炭基催化剂的比表面积和孔容分别为1711.27 m2·g-1和0.863 cm3·g-1。此外,开展了不同炭化温度(600°C,650°C,700°C,750°C)对生物炭比表面积、孔道结构及表面官能团及其作为催化剂催化热解玉米秸秆/聚乙烯共热解制备芳烃的实验。结果发现,随着炭化温度的升高,生物炭的比表面积和孔容有极大的提高,在750°C时达到最大,为518.73 m2·g-1和0.249 cm3·g-1;相对于磷酸活性炭,生物炭作为催化剂可为活性位点提供足够的空间,但由于缺少活性位点含磷官能团而没有明显的催化能力,其对应芳烃相对含量为20%左右。基于上述研究结果,在固定床上开展活性炭基催化剂(炭化温度700°C和磷酸浸渍比1.0)催化热解玉米秸秆/聚乙烯共热解制备芳烃的热解工艺参数优化实验,考察热解温度(419~650°C)、催化剂用量(0~5.27)条件对热解产物分布的影响。结果表明,芳烃的峰面积达到最大时,热解工况参数为:热解温度578°C和催化剂/物料比1.75。此外,在最佳热解条件下开展了炭基催化剂的使用次数对炭基催化剂的比表面积、孔容及表面官能团和催化热解玉米秸秆/聚乙烯共热解制备芳烃的影响实验。结果表明,当炭基催化剂循环使用5次时,炭基催化剂的比表面积、孔容分别从1711.27m2·g-1和0.863 cm3·g-1降低为97.65 m2·g-1和0.067 cm3·g-1,含磷官能团仍然存在但数量有所下降,芳烃的峰面积降低了54.84%。为了降低生物油中多环芳烃的选择性(20%~)得到高纯的单环芳烃,开展了不同硝酸改性时间(0.6~12.3 h)、改性温度(50~103°C)、硝酸浓度(0~7.7 mol·L-1)对炭基催化剂的比表面积、孔容、表面官能团及微观形貌和其作为催化剂催化热解玉米秸秆/聚乙烯制备单环芳烃的影响实验。结果表明,芳烃相对含量最大为55.07%,其中单环芳烃为50.71%,此时硝酸改性生物炭的工艺参数为:90°C硝酸改性温度、10 h硝酸改性时间和1 mol·L-1硝酸改性浓度。硝酸改性生物炭基催化剂后,主要表现在硝基的引入和C=O官能团的增强。此外,其比表面积和孔容降低,孔径变大,生物炭基催化剂表面变粗糙。
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