CN113426448A - 一种新型的生物炭基焦油裂解催化剂的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种新型的生物炭基焦油裂解催化剂的制备方法及其应用，将生物质原料在气化炉中进行惰性气氛下热解以及水蒸气/二氧化碳气氛下活化，生物质原料经过热解、活化后成为比表面积较大的多孔生物炭，铁前驱体Fe3(NO3)3·9H2O经过合成、煅烧后获得Fe2O3纳米颗粒，将生物炭与Fe2O3纳米颗粒在适当温度下合成生物炭‑Fe2O3焦油裂解催化剂。由于生物炭具有丰富的孔隙结构、官能团以及碱金属及碱土金属元素，能够对焦油起到较强的吸附和催化作用，而Fe2O3含有晶格氧，能够为催化剂和焦油之间的协同作用不断供氧，保证生物炭催化剂的稳定性，并提高生物炭催化剂在中低温下的催化性能，生物炭丰富的孔隙结构能够分散Fe2O3，防止其发生团聚或者烧结。
Description
技术领域
本发明涉及生物炭基焦油催化剂的制备领域，尤其是涉及一种新型的生物炭基焦油裂解催化剂的制备方法及其应用。
背景技术
焦油是生物质气化过程的产物之一，不仅影响系统运行稳定性，还会降低气化过程的整体效率。而且不同生物质合成气应用对焦油含量有严格的要求，如燃气轮机发电要求合成气焦油含量小于50mg/Nm3焦油脱除技术是实现生物质合成气高效利用的关键，对于推动生物质气化技术的发展具有战略意义。催化裂解法被认为是最佳的焦油脱除方式之一，通过加入催化剂降低反应活化能，使焦油在较低温度下转化为轻质气体，以此降低气体中的焦油含量。生物炭由生物质“原位”制得，因其丰富的孔隙结构、较大的比表面积及较强的离子交换能力，对焦油中烃类化合物具有较高吸附选择性和亲和能力，同时生物炭中丰富的含氧官能团和碱金属/碱土金属元素（AAEMs）对焦油裂解起到催化作用。近年来，基于生物炭的焦油催化裂解技术受到国内外广泛关注。然而生物炭催化剂在实际应用中仍存在高温下消耗过快、中低温下催化能力不足及表面的问题。如何改性生物炭使其在中低温下的催化性能得到增强是人们下一步的研究重点。
Fe2O3具有催化效果好、无毒且成本低等优势而受到关注。Fe2O3中 Fe 原子具有较强的储氧能力，能够为催化剂与焦油之间的协同作用不断供氧，使得催化剂的稳定性得到保证，显著提高生物炭在中低温下的催化能力，并利用生物炭比表面积大、石墨结构稳定等特点分散负载金属提高其抗烧结能力。因此，如何将生物炭与Fe2O3有机结合，制备出生物炭-Fe2O3焦油裂解催化剂，从而提高生物炭焦油催化裂解的效果，具有重要意义。
发明内容
本发明旨在提供一种用于提高生物炭对于焦油裂解催化效果的生物炭-Fe2O3焦油裂解催化剂及其制备方法，以解决现有材料存在的不足。
所述生物炭-Fe2O3焦油裂解催化剂的制备方法包括以下步骤：
a.生物质原料的预处理：将生物质原料（稻壳、秸秆、木屑等农林废弃物）置于105℃的环境下烘干5-10h，然后利用粉碎机将其加工成0.2-0.8mm粉末，备用；
b.生物炭的制备：将一定量的生物质粉末置于固定床反应器中，同时通入一定量的氮气，并将反应器温度升高至800-900℃，待到目标温度后维持10-30min；然后将氮气切换成氮气/水蒸气的混合气体进行活化，其中水蒸气的浓度为5%-20%，反应温度调整至700-900℃，活化时间为10min-60min。待活化完毕后，反应气氛重新调整至氮气气氛，并将反应器温度降至室温，取出生物炭备用；
c.生物炭/Fe2O3的合成：将质量比为3：1-5：1的Fe3(NO3)3·9H2O与NaOH溶于去离子水中，在室温下搅拌1h，然后转移至反应釜中，将反应釜置于80-120℃的反应温度下反应12h，然后利用离心过滤器将溶液进行过滤，并将过滤后的溶液进行干燥，带干燥完毕后，置于马弗炉中进行煅烧，煅烧温度为400-600℃，获得Fe2O3；最后将获得的Fe2O3与生物炭一起溶于丙酮溶液，在室温下搅拌12h，然后进行干燥，并将干燥后的产物进行煅烧，煅烧温度为200-350℃，煅烧时间为2-4h，最后获得新型生物炭-Fe2O3焦油裂解催化剂。
本发明具有以下优点：
本发明将生物炭、Fe2O3有机结合，既提高了生物炭在中低温环境的焦油催化性能，又能够利用生物炭丰富的孔隙结构及比表面积分散Fe2O3颗粒，防止其发生烧结。
本发明采用的Fe2O3具有较强的储氧能力，能够为催化剂与焦油之间的相互作用持续供氧，保证其稳定的催化性能，而且Fe2O3能够增加生物炭表面的反应活性位点，显著提高其催化活性。
本发明涉及的新型生物炭基催化剂的制备方法工艺过程简单可靠，容易控制，成本低廉，且Fe2O3无毒，不会对人类及生态环境造成污染。
附图说明
附图1是本发明生物炭/-Fe2O3复合材料X射线衍射测试结果
附图2是本发明生物炭/-Fe2O3复合材料甲苯脱除效率的一种示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
一种新型生物炭基焦油催化剂的制备方法，该催化剂以生物炭为载体，表面负载Fe2O3，其制备步骤如下：
a. 生物质原料的预处理：将生物质原料稻壳置于105℃的环境下烘干5-10h，然后利用粉碎机将其加工成0.2-0.8mm粉末，备用。
b. 生物炭的制备：将一定量的稻壳粉末置于固定床反应器中，同时通入一定量的氮气，并将反应器温度升高至800-900℃，待达到目标温度后维持10-30min；然后将氮气切换成氮气/水蒸气的混合气体进行活化，其中水蒸气的浓度为5%-20%，反应温度调整至700-900℃，活化时间为10min-60min。待活化完毕后，反应气氛重新调整至氮气气氛，并将反应器温度降至室温，取出生物炭备用。
c. 生物炭/Fe2O3的合成：将一定量的Fe3(NO3)3·9H2O与NaOH溶于去离子水中，在室温下搅拌1h，然后转移至反应釜中，将反应釜置于80-120℃的反应温度下反应12h，然后利用离心过滤器将溶液进行过滤，并将过滤后的溶液进行干燥，带干燥完毕后，置于马弗炉中进行煅烧，煅烧温度为400-600℃，获得Fe2O3；最后将获得的Fe2O3与生物炭一起溶于丙酮溶液（丙酮和去离子水的体积比为7：3），在室温下搅拌12h，然后进行干燥，并将干燥后的产物进行煅烧，煅烧温度为200-350℃，煅烧时间为2-4h，最后获得新型生物炭-Fe2O3焦油裂解催化剂。
d. 利用扫描电镜对生物炭-Fe2O3焦油裂解催化剂进行观察，可以观察到材料具有丰富的孔隙结构，将负载后的生物炭与无负载生物炭进行对比可以发现，本发明合成的生物炭基催化剂表面分布有Fe2O3颗粒，图1为生物炭/Fe2O3复合材料的X射线衍射分析结果，同样可以发现明显的Fe2O3特征峰。
e. 将本发明制备的生物炭-Fe2O3焦油裂解催化剂进行甲苯脱除实验。本实验采用固定床反应器作为实验设备，首先将0.2g新型生物炭基催化剂置于固定床反应器内，同时将反应器温度提高至800℃，采用氮气作为载气，将适量的甲苯送入反应器中，同时将反应气体进行收集，并利用气相色谱对反应后气体中的甲苯浓度进行测定，发现对比于单一生物炭催化剂，生物炭-Fe2O3对甲苯的转化率能够从70%提高至90%以上，如图2所示，催化性能得到显著提高。
Claims (7)
1.一种新型的生物炭基焦油裂解催化剂的制备方法，特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
生物质原料的预处理；
生物炭的制备；
生物炭-Fe2O3焦油裂解催化剂的合成。
2.根据权利要求1所述的新型的生物炭基焦油裂解催化剂的制备方法，其特征在于，在步骤1）中所述生物质原料包括稻壳、秸秆、稻草、锯末、刨花等农林废弃物。
3.根据权利要求1所述的新型的生物炭基焦油裂解催化剂的制备方法，其特征在于，在步骤1）中利用破碎机将所述生物质原料进行破碎，所需粒度范围为0.2mm-0.8mm。
4.根据权利要求1所述的新型的生物炭基焦油裂解催化剂的制备方法，其特征在于，在步骤2）中先将破碎后的所述生物质原料置于800-900℃、氮气气氛下进行热解，热解时间为10mim-30min，然后将热解后的所述生物炭置于700-900℃、二氧化碳或者水蒸气气氛下进行活化，活化时间为10min-60min。
5.根据权利要求1所述的新型的生物炭基焦油裂解催化剂的制备方法，其特征在于，在步骤3）中利用Fe3(NO3)3·9H2O和NaOH作为铁前驱体，其中Fe3(NO3)3·9H2O和NaOH为3：1-5：1通过水热反应及高温煅烧获得Fe2O3，其中水热反应温度控制在80-120℃，煅烧温度控制在400-600℃。
6.根据权利要求1所述的新型的生物炭基焦油裂解催化剂的制备方法，其特征在于，在步骤4）中通过浸渍和高温煅烧获得生物炭/Fe2O3焦油裂解催化剂的合成，其中煅烧温度控制在200-300℃。
7.一种根据新型的生物炭基焦油裂解催化剂的制备方法得到的新型生物炭-Fe2O3焦油裂解催化剂，其特征在于将生物炭与Fe2O3有机结合，既克服了生物炭在中低温下焦油催化性能不足的问题，又能够改善Fe2O3在催化过程中团聚/烧结问题，扩大了生物炭在焦油催化方面的应用潜力。
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