CN106807382A - 一种高分散Ni/C催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高分散Ni/C催化剂的制备方法,包括褐煤酸洗和酸洗褐煤氧化、金属负载、Ni/C催化剂制备四个步骤。本发明采用低浓度的盐酸和双氧水,选择性的脱除了褐煤中的有机金属离子,并通过双氧水的温和氧化作用显著地提高了褐煤的含氧官能团,进而提高了褐煤的离子交换能力。保留了褐煤的外部硅酸盐等含有催化能力的矿石。改进后的方法得到的催化剂活性金属镍的分散度大大提高,催化能力提升明显。与现有产品相比,本发明方法制备的催化剂活性金属镍分散度很高,简单易行,催化活性高,经济效益明显。在生物质挥发分重整上,具有很好的工业开发应用前景。
Description
技术领域
本发明属于催化剂领域,具体涉及一种Ni/C催化剂的制备方法及应用。
背景技术
随着全球经济发展速度加快以及人口的快速增长,人类对能源资源的需求增长速率远远大于化石能源的形成速率。化石能源资源已经逐渐不能满足人类的需求,生物质是一种重要初级和可再生能源资源,生物质的利用已经得到越来越多的关注。
生物质气化是最有前景的生物质利用的过程。生物质气化可以得到氢气、碳氧化物、少量的甲烷和轻质烃。镍催化剂是生物质转化技术中最常用且最有效的催化剂。镍催化剂能更有效地分解焦油物质、调整改变生成气组成、并将生成气进行净化。由于镍催化剂能有效地将碳氢化合物以及甲烷进行转化,因此具有很强的工业利用可行性
褐煤储量丰富,主要用于发电,不能充分利用和实现其价值。中国矿业大学王本水在研究生毕业论文《胜利褐煤负载镍催化剂的制备及其催化生物质焦油裂解研究》中采用褐煤作为碳源,通过离子交换法负载镍后,用于制造催化重整生物质挥发分的催化剂,虽然效果明显,但是存在以下问题:
(1)褐煤中含有高含量灰分和含氧官能团,而含氧官能团大多以金属盐形式存在。由于金属镍和其交换困难,难以得到高负载率的Ni/C催化剂。
(2)褐煤含有部分矿石,而矿石也存在一定的催化效果,原有的方法并没有考虑到矿石的催化能力。
(3) 褐煤中的含有的羧基官能团不仅大多以金属盐的形式存在,而且很多有机官能团能够转化成羧基没有被考虑到。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高分散Ni/C催化剂的制备方法,以解决用现有技术制备催化剂不经济,制备的催化剂分散度不高及催化能力低的问题。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案如下:
一种高分散Ni/C催化剂的制备方法,其步骤是:
步骤1. 褐煤酸洗:将分析纯浓盐酸和蒸馏水稀释得到稀盐酸溶液,将干燥后的褐煤溶于稀盐酸溶液后,在55~60℃下以设定的转速及时间进行搅拌(如以100 r/min或更高的搅拌转速搅拌1 h及1 h以上,转速没有上限,搅拌时间上限没有限制,以效率和经济性合适为限),冷却后过滤,取固体部分洗涤干燥,得到酸洗褐煤。
步骤2. 酸洗褐煤氧化:将酸洗褐煤浸于双氧水中,在55~60℃下以设定的转速及时间进行搅拌(如以100r/min或更高的转速搅拌1h及1h以上,转速没有上限,搅拌时间上限没有限制,以效率和经济性合适为限),冷却后过滤,取固体部分洗涤干燥。
步骤3. 金属负载:将步骤2中得到的处理后褐煤浸于金属Ni溶液中,在常温下按照设定的转速搅拌设定的时间(如24 h或24 h以上,搅拌转速为100 r/min或以上),然后过滤并洗涤,取固体部分干燥,干燥时间≥12 h。
步骤4. Ni/C催化剂制备:将步骤3中得到的干燥后的金属负载褐煤放置于管式炉,并在通入惰性气氛下500-700℃焙烧≥1 h,冷却后取出得到Ni/C催化剂。
步骤1中,所述褐煤为灰分及羧基含量高的低阶褐煤,所述浓盐酸为市售的分析纯(12 mol/L),稀释后得到的稀盐酸,浓度为5 mol/L。
步骤1 中,所述洗涤方法为用去离子水冲洗固体部分至检测不出氯离子;所述干燥方法为真空条件下100-110℃干燥,干燥时间≥12 h。
步骤2中,所述双氧水为质量分数为20%,体积100 mL;干燥方法为100-110℃下干燥≥12h。
步骤3中,金属Ni溶液是由3.8 g NiCO3·2Ni(OH)2·4H2O,1.4 g (NH4)2CO3和300mL去离子水溶解配置得到,并用NH3·H2O调节pH=9~12。
所述的惰性气体为氮气或氩气,NH3·H2O质量百分数为28%。
与现有技术相比,本发明具有如下优势:
在催化剂的选择上,可以抛弃不经济且难制备的贵金属催化剂,选用储量丰富的褐煤,原料来源广泛;Ni/C催化剂需要的反应条件温和,经改进后的Ni/C催化剂分散度大大提高,挥发分重整效率高,载体热稳定性和化学稳定性好,骨架结构保持稳定。
本发明采用低浓度的盐酸和双氧水,选择性的脱除了褐煤中的有机金属离子,并通过双氧水的温和氧化作用显著地提高了褐煤的含氧官能团,进而提高了褐煤的离子交换能力。保留了褐煤的外部硅酸盐等含有催化能力的矿石。改进后的方法得到的催化剂活性金属镍的分散度大大提高,催化能力明显提升。
附图说明:
图1为本发明高分散Ni/C催化剂的制备流程图。
图2是与现有技术制备的Ni/C催化剂的透射电镜对比图。
具体实施方式:
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
根据下述实施例,可以更好地理解本发明。然而,本领域的技术人员容易理解,实施例所描述的内容仅用于说明本发明,而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1
用本发明高分散Ni/C催化剂的制备方法制备Ni/C催化剂: 稀释后的稀盐酸,浓度为5mol/L。将干燥后的褐煤溶于稀盐酸溶液后,在55~60℃下以100 r/min搅拌转速搅拌1 h。冷却后过滤,取固体部分洗涤干燥,得到酸洗褐煤。将酸洗褐煤浸于双氧水中,在55~60℃下以100 r/min的转速搅拌1 h,冷却后过滤,取固体部分洗涤干燥。在上述步骤处理后的褐煤中,加入3.8 g NiCO3·2Ni(OH)2·4H2O,1.4 g (NH4)2CO3和300 mL去离子水,加NH3·H2O,调节pH值至9,搅拌24 h,冷却过滤,固体颗粒在管式炉中氩气气氛下,650 ℃焙烧1 h,冷却后得到Ni/C催化剂。
将制备好的Ni/C催化剂称取5 g放入反应管并置于两段式固定床下段中,上段加入1 g玉米芯,通入氩气,调节催化床层温度至650℃并保持0.5 h,上段炉设置升温速率为15℃/min升温至900℃,100℃时开始收集气体,收集时间1 h。静置冷却至常温,取出催化剂并刮出反应管壁焦油称重,对气体产物进行气相色谱分析,检测结果气体产率为23.49vol.%。
实施例2
用本发明高分散Ni/C催化剂的制备方法制备Ni/C催化剂:在酸洗、氧化处理后的褐煤中,加入3.8 g NiCO3·2Ni(OH)2·4H2O,1.4 g (NH4)2CO3和300 mL去离子水,加NH3·H2O,调节pH值至10,搅拌24 h,冷却过滤,固体颗粒在管式炉中氩气气氛下,650 ℃焙烧1h,冷却后得到Ni/C催化剂。
将制备好的Ni/C催化剂称取5 g放入反应管并置于两段式固定床下段中,上段加入1 g玉米芯,通入氩气,调节催化床层温度至650℃并保持0.5 h,上段炉设置升温速率为15℃/min升温至900℃,100℃时开始收集气体,收集时间1h。静置冷却至常温,取出催化剂并擦出反应管壁焦油称重,对气体产物进行气相色谱分析,检测结果气体产率为31.01vol.%。
实施例3
用本发明高分散Ni/C催化剂的制备方法制备Ni/C催化剂:在酸洗、氧化处理后的褐煤中,加入3.8 g NiCO3·2Ni(OH)2·4H2O,1.4 g (NH4)2CO3和300 mL去离子水,加NH3·H2O,调节pH值至11,搅拌24 h,冷却过滤,固体颗粒在管式炉中氩气气氛下,650 ℃焙烧1h,冷却后得到Ni/C催化剂。
将制备好的Ni/C催化剂称取5 g放入反应管并置于两段式固定床下段中,上段加入1 g玉米芯,通入氩气,调节催化床层温度至650℃并保持0.5 h,上段炉设置升温速率为15℃/min升温至900℃,100℃时开始收集气体,收集时间1 h。静置冷却至常温,取出催化剂并擦出反应管壁焦油称重,对气体产物进行气相色谱分析,检测结果气体产率为33.75vol.%。
实施例4
用本发明高分散Ni/C催化剂的制备方法制备Ni/C催化剂:在酸洗、氧化处理后的褐煤中,加入3.8 g NiCO3·2Ni(OH)2·4H2O,1.4 g (NH4)2CO3和300 mL去离子水,加NH3·H2O,调节pH值至12,搅拌24 h,冷却过滤,固体颗粒在管式炉中氩气气氛下,650 ℃焙烧1h,冷却后得到Ni/C催化剂。
将制备好的Ni/C催化剂称取5 g放入反应管并置于两段式固定床下段中,上段加入1 g玉米芯,通入氩气,调节催化床层温度至650℃并保持0.5 h,上段炉设置升温速率为15℃/min升温至900℃,100℃时开始收集气体,收集时间1 h。静置冷却至常温,取出催化剂并擦出反应管壁焦油称重,对气体产物进行气相色谱分析,检测结果气体产率为25.99vol.%。
实施例5
用本发明高分散Ni/C催化剂的制备方法制备Ni/C催化剂:在酸洗、氧化处理后的褐煤中,加入3.8g NiCO3·2Ni(OH)2·4H2O,1.4g (NH4)2CO3和300 mL,加NH3·H2O,调节pH至11,搅拌24h,冷却过滤,固体颗粒在管式炉中氩气气氛下,500℃焙烧1h,冷却。得到Ni/C催化剂。
将制备好的Ni/C催化剂称取5g放入反应管并置于两段式固定床下段中,上段加入1g玉米芯,通入氩气,调节催化床层温度至500℃并保持0.5 h,上段炉设置升温速率为15℃/min升温至900℃,100℃时开始收集气体,收集时间1h。静置冷却至常温,取出催化剂并擦出反应管壁焦油称重,对气体产物进行气相色谱分析,检测结果气体产率为27.75vol.%。
实施例6
用本发明高分散Ni/C催化剂的制备方法制备Ni/C催化剂:在酸洗、氧化处理后的褐煤中,加入3.8 g NiCO3·2Ni(OH)2·4H2O,1.4 g (NH4)2CO3和300 mL去离子水,加NH3·H2O,调节pH值至11,搅拌24 h,冷却过滤,固体颗粒在管式炉中氩气气氛下,550 ℃焙烧1 h,冷却。得到Ni/C催化剂。
将制备好的Ni/C催化剂称取5 g放入反应管并置于两段式固定床下段中,上段加入1 g玉米芯,通入氩气,调节催化床层温度至550℃并保持0.5 h,上段炉设置升温速率为15℃/min升温至900℃,100℃时开始收集气体,收集时间1 h。静置冷却至常温,取出催化剂并擦出反应管壁焦油称重,对气体产物进行气相色谱分析,检测结果气体产率为28.80vol.%。
实施例7
用本发明高分散Ni/C催化剂的制备方法制备Ni/C催化剂:在酸洗、氧化处理后的褐煤中,加入3.8 g NiCO3·2Ni(OH)2·4H2O,1.4 g (NH4)2CO3和300 mL去离子水,加NH3·H2O,调节pH值至11,搅拌24 h,冷却过滤,固体颗粒在管式炉中氩气气氛下,600℃焙烧1 h,冷却后得到Ni/C催化剂。
将制备好的Ni/C催化剂称取5 g放入反应管并置于两段式固定床下段中,上段加入1 g玉米芯,通入氩气,调节催化床层温度至600℃并保持0.5 h,上段炉设置升温速率为15℃/min升温至900℃,100℃时开始收集气体,收集时间1 h。静置冷却至常温,取出催化剂并擦出反应管壁焦油称重,对气体产物进行气相色谱分析,检测结果气体产率为29.05vol.%。
实施例8
用本发明高分散Ni/C催化剂的制备方法制备Ni/C催化剂:在酸洗、氧化处理后的褐煤中,加入3.8 g NiCO3·2Ni(OH)2·4H2O,1.4 g (NH4)2CO3和300 mL去离子水,加NH3·H2O,调节pH值至11,搅拌24 h,冷却过滤,固体颗粒在管式炉中氩气气氛下,700℃焙烧1 h,冷却。得到Ni/C催化剂。
将制备好的Ni/C催化剂称取5 g放入反应管并置于两段式固定床下段中,上段加入1 g玉米芯,通入氩气,调节催化床层温度至700℃并保持0.5 h,上段炉设置升温速率为15℃/min升温至900℃,100℃时开始收集气体,收集时间1 h。静置冷却至常温,取出催化剂并擦出反应管壁焦油称重,对气体产物进行气相色谱分析,检测结果气体产率为34.69vol.%。
实施例9(重复试验)
将实施例3反应完取出的Ni/C催化剂4.9032 g,称量(不足的称取新的Ni/C催化剂补齐)5 g放入反应管并置于两段式固定床下段中,上段加入1 g玉米芯,通入氩气,调节催化床层温度至650℃并保持0.5 h,上段炉设置升温速率为15℃/min升温至900℃,100℃时开始收集气体,收集时间1h。静置冷却至常温,取出催化剂并擦出反应管壁焦油称重。反应完之后以上步骤重复4次,共进行5次重复性实验。对气体产物进行气相色谱分析。
Reaction times | vol.%(合成气产率) |
1 | 31.53 |
2 | 22.73 |
3 | 18.04 |
4 | 15.66 |
5 | 14.91 |
Claims (7)
1.一种高分散Ni/C催化剂的制备方法,其步骤是:
步骤1. 褐煤酸洗:将分析纯浓盐酸和蒸馏水稀释得到稀盐酸溶液,将干燥后的褐煤溶于稀盐酸溶液后,在55~60℃下以设定转速按设定时间进行搅拌;然后冷却过滤,取固体部分洗涤干燥,得到酸洗褐煤;
步骤2. 酸洗褐煤氧化:将步骤1制得的酸洗褐煤浸于双氧水中,在55~60℃下以设定转速按设定时间进行搅拌,冷却后过滤,取固体部分洗涤干燥;
步骤3. 金属负载:将步骤2中得到的处理后褐煤浸于金属Ni溶液中,在常温下以设定转速按设定时间进行搅拌,然后过滤并洗涤,取固体部分干燥,得到金属负载褐煤;
步骤4. Ni/C催化剂制备:将步骤3中得到的干燥后的金属负载褐煤放置于管式炉,并在通入惰性气体下500-700℃焙烧≥1 h,冷却后取出得到Ni/C催化剂。
2.根据权利要求1所述的高分散Ni/C催化剂的制备方法,其特征是:步骤1、2、3所述的设定的搅拌转速≥100 r/min,设定的搅拌时间≥1 h。
3.根据权利要求1所述的高分散Ni/C催化剂的制备方法,其特征是:步骤 1中,所述的褐煤为低阶褐煤,所述的稀释后的稀盐酸,浓度为5 mol/L。
4.根据权利要求1所述的高分散Ni/C催化剂的制备方法,其特征是:步骤1 中,所述洗涤方法为用去离子水冲洗固体部分至检测不出氯离子;所述干燥方法为真空条件下100~110℃干燥,干燥时间≥12 h。
5.根据权利要求1所述的高分散Ni/C催化剂的制备方法,其特征是:步骤 2中,所述双氧水质量分数为20%,体积100 mL;干燥方法为100~110℃下干燥≥12h。
6.根据权利要求1所述的高分散Ni/C催化剂的制备方法,其特征是:步骤3中,金属Ni溶液是由3.8 g NiCO3·2Ni(OH)2·4H2O,1.4 g (NH4)2CO3和300 mL去离子水溶解配置得到,并用NH3·H2O调节pH=9~12。
7.根据权利要求1所述的高分散Ni/C催化剂的制备方法,其特征是:所述惰性气体为氮气或氩气,NH3·H2O质量百分数为28%。
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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CB02 | Change of applicant information | ||
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Address after: 221116 No. 1 University Road, copper mountain, Jiangsu, Xuzhou Applicant after: China University of Mining & Technology Address before: 221116 Xuzhou University Road, Jiangsu, No. 1 Applicant before: China University of Mining & Technology |
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20170609 |