劉 寧,王麗紅,易維明
(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院,山東 淄博 255049)
Ni/HZSM-5催化熱解玉米秸稈制取生物油的研究
劉寧,王麗紅,易維明
(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院,山東 淄博 255049)
摘要:在固定床中考察Ni/HZSM-5對(duì)生物質(zhì)催化熱解的影響,采用浸漬法制備Ni負(fù)載量不同的Ni/HZSM-5分子篩催化劑,通過粒度分析、SEM、XRD和BET表征催化劑,在不同催化劑條件下熱解玉米秸稈制取生物油,對(duì)生物油的理化特性和液相產(chǎn)物的化學(xué)組成進(jìn)行分析.結(jié)果表明,Ni在HZSM-5表面負(fù)載均勻,Ni改性未影響HZSM-5的晶體結(jié)構(gòu),改性HZSM-5的比表面積隨著Ni負(fù)載量的增加而減小.與不加入催化劑相比,在HZSM-5作用下得到的生物油得率降低,同時(shí),酸類、醛類、呋喃類等含氧化合物的含量降低,酚類的含量增加;在Ni/HZSM-5作用下,與在HZSM-5作用下相比,所得生物油的得率上升,含水率下降,酮類含量明顯降低,酚類含量進(jìn)一步提高,說明Ni改性HZSM-5分子篩對(duì)生物質(zhì)熱解產(chǎn)物中的酮類、酚類含量具有明顯的調(diào)控作用.
關(guān)鍵詞:玉米秸稈;催化熱解;Ni/HZSM-5; 生物油
化石能源的大量使用造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源緊張問題,所以生物質(zhì)能作為新型的可再生潔凈能源受到更多關(guān)注[1-2].在諸多生物質(zhì)能利用技術(shù)中,生物質(zhì)熱解獲得的液體產(chǎn)物可以部分替代化石能源,生產(chǎn)高附加值化工產(chǎn)品,因此被認(rèn)為是一種非常有商業(yè)前景的技術(shù)[3-4].通過傳統(tǒng)熱解技術(shù)獲得的生物油儲(chǔ)存穩(wěn)定性差,且粘度大、熱值低、酸度高、含氧量高,使其普遍使用成為難題[5-6],因此,在熱解過程中引入合適的催化劑,改善生物油的品質(zhì)成為研究熱點(diǎn)之一.張會(huì)巖等[7]采用不同催化劑熱解生物質(zhì)制取生物油發(fā)現(xiàn),酸性分子篩使油分中芳香族化合物增加,含氧量降低25%;Uzun等[8]在對(duì)玉米秸稈的催化熱解實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),利用HZSM-5催化熱解所得生物油產(chǎn)率達(dá)到27.55%,生物油中的長(zhǎng)鏈烷烴轉(zhuǎn)化成為輕質(zhì)的碳?xì)浠衔?;Pan等[9]利用HZSM-5分子篩催化熱解微綠球藻殘?jiān)尤際ZSM-5后,生物油氧含量從30.1%降低至19.5%,熱值從24.6MJ/kg升高到32.7MJ/kg;Du等[10]采用H-Y、HBeta、HZSM-5分別催化熱解微藻和蛋白,產(chǎn)生芳香烴,結(jié)果表明HZSM-5效果最好,芳香烴產(chǎn)率達(dá)18.13%,且硅鋁比為80時(shí)酸性合適,芳香烴產(chǎn)率達(dá)到最大值,同時(shí)降低了結(jié)焦量;楊小明等[11]采用流化床熱解松木屑發(fā)現(xiàn),加入HZSM-5得到的生物油含氧量19.02%,熱值32.88MJ/kg,提高了生物油品質(zhì),但長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)導(dǎo)致HZSM-5分子篩發(fā)生水熱脫鋁和結(jié)焦失活現(xiàn)象.沈德建等[12]利用改性HZSM-5分子篩催化乙醇脫水制乙烯,發(fā)現(xiàn)鎳比較適合改性HZSM-5,降低其強(qiáng)酸量、增加弱酸量,提高了乙醇轉(zhuǎn)化率和乙烯選擇性;江婷等[13]研究了Ni/HZSM-5 的結(jié)構(gòu)和催化木糖醇水相加氫合成烷烴的性能,發(fā)現(xiàn)在優(yōu)化的金屬中心和酸中心的協(xié)同作用下,木糖醇可通過水相加氫高選擇性地合成C5-C6烷烴;李鳳義等[14]利用Ni/HZSM-5催化乙醇脫水制備乙烯,發(fā)現(xiàn)乙醇轉(zhuǎn)化率及乙烯選擇性均大于95%,分子篩催化性能得到顯著提高.HZSM-5催化熱解生物質(zhì),能明顯改善其液體產(chǎn)物的品質(zhì),但在生物質(zhì)熱解過程中利用Ni/HZSM-5的較少.而鎳基催化劑具有良好的穩(wěn)定性,在石油、化工、制藥等工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用.因此本文利用Ni/HZSM-5催化熱解玉米秸稈粉末制取生物油,考察其催化性能.
1試驗(yàn)部分
1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)
選用固定床為試驗(yàn)裝置,氮?dú)鉃楸Wo(hù)氣,固定氣體流量和原料特性(如原料粒度、干燥程度等)以及用量,先在無催化劑條件下以溫度為單一變量進(jìn)行試驗(yàn),溫度分別設(shè)置為450℃、500℃、550℃、600℃.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,選取最佳裂解溫度(500℃),并在此溫度下,以添加催化劑的種類為變量進(jìn)行熱解試驗(yàn).每個(gè)設(shè)定條件下進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn),差異率大于5%時(shí),增加重復(fù)試驗(yàn)次數(shù),剔除異常數(shù)據(jù);差異率小于5%時(shí),測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值.
1.2試驗(yàn)原料
1.2.1生物質(zhì)原料
選取北方常見的玉米秸稈作為試驗(yàn)原料(原料來源于山東省淄博市馬尚鎮(zhèn)的農(nóng)田),經(jīng)粉碎、篩選,得到粒度為30~40目的玉米秸稈粉末作為試驗(yàn)原料.將原料放置在105℃的鼓風(fēng)干燥箱中,干燥24h后用于催化熱解試驗(yàn).
原料的元素分析與工業(yè)分析見表1.由元素分析可知,玉米秸稈中H含量少,O含量多導(dǎo)致裂解產(chǎn)物中烴類物質(zhì)少,含氧化合物多.
表 1玉米秸稈的元素分析與工業(yè)分析
元素分析*元素含量工業(yè)分析*成分含量C50.07水分8.42H6.03N1.30灰分9.46O#42.60H/C1.45揮發(fā)分67.58O/C0.64N/C0.02固定碳14.54
注: *干基#差值法
1.2.2催化劑的制備
載體預(yù)處理:采用天津南開化學(xué)試劑廠生產(chǎn)的HZSM-5(SiO2與Al2O3的摩爾比為25)分子篩作為載體,將其放置在馬弗爐中,升溫至550℃,保溫3h,自然降至室溫,備用.
Ni/HZSM-5的制備:采用浸漬法制備鎳負(fù)載量不同的Ni/HZSM-5催化劑.將經(jīng)過預(yù)處理的HZSM-5浸漬在Ni(NO3)2·6H2O溶液中,使用集熱式磁力攪拌器在60℃恒溫?cái)嚢?~5h,使浸漬過程均勻充分;然后將其放置在110℃的恒溫干燥箱中8~12h除去水分;最后將催化劑放置在550℃的馬弗爐中高溫焙燒3~5h,使其表面的Ni(NO3)2·6H2O經(jīng)高溫分解成Ni的結(jié)晶氧化物.從而得到Ni負(fù)載量(以Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))分別為3%、5%、10%的Ni/HZSM-5催化劑.根據(jù)Ni負(fù)載量的不同,分別命名為Ni(3%)/HZSM-5,Ni(5%)/HZSM-5,Ni(10%)/HZSM-5,用于后續(xù)試驗(yàn).
1.3試驗(yàn)裝置
催化熱解試驗(yàn)裝置如圖1所示.石英管外徑為40mm,內(nèi)徑為34mm,總長(zhǎng)度為700mm;保護(hù)氣為氮?dú)?99.99%),流量為24L/h,反應(yīng)前通入氮?dú)庑纬啥栊苑諊?;原料放在瓷舟中,將瓷舟放置于反?yīng)管恒溫區(qū);反應(yīng)管右端變徑為氣流導(dǎo)管(外徑12mm,內(nèi)徑8mm,長(zhǎng)度200mm).利用兩級(jí)冷凝瓶收集生物油,冰水混合物作為冷凝液;使用分別放置脫脂棉和變色硅膠的錐形瓶作為氣體凈化裝置.
1.氮?dú)馄? 2.流量計(jì); 3.溫控儀; 4.石英管反應(yīng)器; 5.管式爐; 6.收集瓶; 7.冰水混合物冷凝裝置; 8.過濾裝置; 9.干燥裝置圖 1 生物質(zhì)催化熱解系統(tǒng)示意圖
1.4試驗(yàn)過程
將管式爐程序升溫至設(shè)定溫度(450℃、500℃、550℃、600℃),反應(yīng)前,通入10min的氮?dú)?,使反?yīng)管內(nèi)部形成惰性氛圍;將物料(質(zhì)量為6g)置于反應(yīng)管恒溫區(qū),使得生物質(zhì)在設(shè)定溫度下發(fā)生熱解反應(yīng) (熱解反應(yīng)時(shí)間約為10min),熱解結(jié)束;將冷凝裝置稱量,減去初始質(zhì)量,得到生物油的得率;收集生物油,進(jìn)行相關(guān)理化性質(zhì)測(cè)定和化學(xué)組分分析.根據(jù)不同溫度下玉米秸稈熱解產(chǎn)物的分布,確定催化熱解的試驗(yàn)溫度,然后在該溫度下將玉米秸稈粉末與一定質(zhì)量的催化劑(催化劑添加量為原料質(zhì)量的10%)充分混合后置于反應(yīng)管內(nèi)進(jìn)行催化熱解試驗(yàn),其中催化劑分別為HZSM-5、Ni(3%)/HZSM-5、Ni(5%)/HZSM-5、Ni(10%)/HZSM-5.
1.5分析方法
1.5.1催化劑表征分析
催化劑的粒度分布采用MS2000型激光粒度分析儀(英國(guó)MALVERN公司生產(chǎn))進(jìn)行測(cè)定;催化劑顆粒的微觀結(jié)構(gòu)采用SEM(Quanta200FEIInc.)測(cè)定;催化劑的物相組成采用X'PertPRO型X射線衍射儀(荷蘭帕納科PANalytical公司生產(chǎn))測(cè)定;催化劑的孔隙結(jié)構(gòu)特性采用ASAP2020 型比表面積及孔徑分析儀(美國(guó)Micromeritics公司生產(chǎn))測(cè)定.
1.5.2生物油特性分析
本文中采用Karl-Fischer滴定法(TitroLineKF-10,SCHOTT,Germany)檢測(cè)生物油水分含量,并用純水進(jìn)行校準(zhǔn).
生物油成分復(fù)雜,組成繁多,目前對(duì)生物油的分析主要采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[15].本試驗(yàn)采用 5973/6890型氣質(zhì)聯(lián)用儀(Agilent),具體操作參數(shù)如下:
GC:載氣為高純He(山東白燕化工有限公司),氣流量為1.0mL/min;進(jìn)樣口(Inlet)溫度為280℃;進(jìn)樣量為0.2μL,分流比為60∶l;色譜柱為DB-1701毛細(xì)管柱(60m×0.25mm×0.25μm);柱溫采用程序升溫方式,從40℃以5℃/min的升溫速率升至240℃,保溫5min.
MS:接口(Aux)溫度為280℃;電子轟擊(EI)離子源,電子能量為70eV,掃描范圍為12-550amu.
2結(jié)果與分析
2.1催化劑表征
2.1.1催化劑粒度分布
分子篩催化劑的粒度分析結(jié)果如圖2所示.
圖 2 分子篩催化劑的粒度分布
由圖2可知,分子篩催化劑的粒徑均在400μm以下,并且大多數(shù)在20μm以下,以4μm為中心近似呈現(xiàn)正態(tài)分布.催化劑粒度大小適中,均一性良好,有利于反應(yīng)物及產(chǎn)物的接觸和擴(kuò)散,能在一定程度上控制反應(yīng)速率和途徑.
2.1.2催化劑SEM分析
圖3為4種催化劑放大2x104倍的SEM圖, 4種催化劑的表面晶粒形貌相似,晶粒因具有較大的表面吉布斯自由能而聚集在一起,所以催化劑表面較致密、間隙較小[16];大多晶粒呈塊狀,長(zhǎng)度為4~5μm、寬度為2~3μm、厚度大約1μm;晶粒外觀規(guī)整清晰,粒度分布均勻,顯示出良好的晶體形貌,說明Ni的引入對(duì)HZSM-5分子篩的形貌基本無影響.
圖 3 分子篩催化劑表面SEM圖
由圖3(a)可知,載體表面分布有毛細(xì)微孔,在浸漬過程中能吸收大量浸漬液,有利于Ni的負(fù)載;由圖3(b)~圖3(d)可以看出,載體表面均勻分布著淺色小顆粒,其數(shù)量隨著Ni負(fù)載量的增加而增多,粒徑約為1nm.
使用能譜儀對(duì)催化劑分子篩表面的元素分布做定性分析可知,HZSM-5分子篩催化劑表面分布著O、Si和Al元素,Ni改性后的分子篩催化劑表面分布著O、Si、Al、和Ni元素,說明Ni成功引入到分子篩.對(duì)圖3(d)上的1點(diǎn)和2點(diǎn)分析,1點(diǎn)的元素分布和載體分子篩基本一致,說明其為載體表面;對(duì)2點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,表明這些小顆粒是氧化鎳.
2.1.3催化劑XRD分析
圖4是分子篩催化劑的XRD譜圖,約 8°、9°、23°、24°、25°(2θ)為HZSM-5型分子篩催化劑的特征X射線衍射峰[17], 22°~25°的特征衍射峰強(qiáng)度可代表HZSM-5 型分子篩的結(jié)晶度[18].由圖4可知,7.96°、8.83°、23.18°、23.99°、24.45°時(shí),出現(xiàn)HZSM-5典型特征峰(JCPDScard:PDF44-0003),表明分子篩晶體結(jié)構(gòu)未因?yàn)镹i的引入而被破壞.通過浸漬改性的催化劑,由于負(fù)載組分主要分布在其表面,含量一般低于10%,所以XRD檢測(cè)不到[19],Ni/HZSM-5的主要晶相是HZSM-5,沒有出現(xiàn)Ni或Ni的化合物的特征峰,表明Ni在HZSM-5分子篩表面負(fù)載均勻,以高度分散的形式存在[20],使其組分可以得到高效利用,具有良好的催化效果.
(a)HZSM-5 (b)Ni(3%)/HZSM-5
(c)Ni(5%)/HZSM-5 (d)Ni(10%)/HZSM-5圖4 分子篩催化劑的X射線衍射譜圖
2.1.4催化劑孔隙結(jié)構(gòu)分析
不同分子篩催化劑的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2.
表 2分子篩催化劑的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)
催化劑類型比表面積/m2.g-1孔容積/m3.g-1孔徑/nmHZSM-5364.280.20412.2412Ni(3%)/HZSM-5314.190.17552.2639Ni(5%)/HZSM-5292.650.17462.4141Ni(10%)/HZSM-5273.130.17252.5264
從表2可以看出,隨著Ni負(fù)載量的增加比表面積顯著減小,同時(shí)孔容積有所減小而孔徑增大.隨著Ni負(fù)載量的增加,部分Ni的結(jié)晶體阻塞了HZSM-5微孔,使得改性催化劑平均孔徑增大,同時(shí)微孔表面積和孔容積減小,由于HZSM-5分子篩催化劑比表面積主要由微孔表面積組成,所以改性催化劑比表面積隨著Ni負(fù)載量的增加而減小.
2.2不同溫度的熱解試驗(yàn)結(jié)果分析
無催化劑時(shí),不同溫度下玉米秸稈的生物油得率分布特性如圖5所示.
由圖5可知,500℃以前,由于一次裂解不夠充分,隨著溫度的升高一次裂解加強(qiáng),生物油得率增加;500℃以后,二次反應(yīng)加強(qiáng),生物油得率下降.這與文獻(xiàn)[21]的結(jié)論相符.
圖 5 不同溫度下玉米秸稈熱解產(chǎn)物分布
生物油含水率隨著溫度的升高而增加,在20%~30%之間.綜合來看,500℃最適合熱解玉米秸稈獲得較高得率的生物油,這與文獻(xiàn)[22]的試驗(yàn)結(jié)果一致,所以將試驗(yàn)溫度設(shè)定在500℃.
2.3不同催化劑條件下熱解試驗(yàn)結(jié)果
不同催化劑玉米秸桿熱解產(chǎn)物分布如圖6所示.圖6表明,加入分子篩催化劑,生物油得率降低:由于分子篩具有較大的比表面積,促使初始熱解氣發(fā)生二次裂解,大分子物質(zhì)分解為小分子成為氣體逸出,導(dǎo)致液體產(chǎn)量下降;HZSM-5得率降幅最大,約為8%.Ni改性HZSM-5后,生物油得率上升,且Ni負(fù)載量為3%時(shí)生物油得率最高,可能是因?yàn)镹i促進(jìn)了玉米秸稈的一次裂解.添加催化劑HZSM-5后,生物油含水率變化不大,可能是由于催化劑添加量較小,吸附效果大于催化效果,導(dǎo)致含水率變化不明顯;Ni改性HZSM-5后含水率明顯下降,且隨著Ni負(fù)載量的增加含水率持續(xù)下降,Ni負(fù)載量為10%時(shí),含水率最小,可能是由于Ni的負(fù)載使得HZSM-5對(duì)H的利用率提高,而O更多以CO、CO2的形式脫除而不是水,使得含水率下降.
GC-MS分析生物油主要組分結(jié)果見表3,添加HZSM-5后,酸類、醛類、呋喃類等含氧化合物均有所降低,醇類、酚類含量上升.由于HZSM-5分子篩促進(jìn)了玉米秸稈在熱解過程中一系列脫羧基、脫羰基的反應(yīng),減少了部分含氧化合物含量,降低了生物油氧含量,提高了熱值,因而使其具有更高的燃料利
圖 6 不同催化劑玉米秸稈熱解產(chǎn)物分布
用價(jià)值.生物質(zhì)熱解過程中,大量含氧官能團(tuán)中氧元素以H2O、CO、CO2形式脫除,即[23]:
脫羰基反應(yīng):R-COH→R-H+CO
(1)
脫羧基反應(yīng):R-COOH→R-H+CO2
(2)
脫羥基反應(yīng):R-OH→R1+H2O
(3)
由表3可知,加入HZSM-5后,酸類含量降低,減小酸度,提高其穩(wěn)定性,有利于生物油的普遍使用;醇類含量上升,降低了生物油的粘度[24];酚類含量由6.96%上升到8.54%,表明HZSM-5有效促進(jìn)了酚類的形成,酚類物質(zhì)是許多化工行業(yè)的珍貴原料,主要應(yīng)用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、印染以及香料加工,酚類物質(zhì)含量的增加有利于生產(chǎn)高附加值產(chǎn)物.Ni改性HZSM-5后,醇、呋喃等物質(zhì)的含量變化較小;酸類、醛類有所減??;酮類含量明顯減小,且隨著Ni負(fù)載量上升而減小,負(fù)載量為10%時(shí)酮含量最小,表明Ni有效促進(jìn)了生物質(zhì)熱解過程中的脫羰基反應(yīng);酚類物質(zhì)含量進(jìn)一步提高,且隨著Ni負(fù)載量的增加而增大,負(fù)載量為10%時(shí)酚類的含量達(dá)10.95%,是無催化劑生物油中含量的1.6倍.酚類含量的進(jìn)一步提高表明,Ni有效促進(jìn)了酚類物質(zhì)的形成,可能是Ni/ZHSM-5催化劑的使用導(dǎo)致了酚類前驅(qū)物(如木質(zhì)素衍生物)的進(jìn)一步裂解, 導(dǎo)致酚類含量增加.這與Ye等[25]利用Ni基催化劑降解木質(zhì)素產(chǎn)生苯酚、愈創(chuàng)木酚和鄰苯二酚等相符.綜上可以看出:Ni改性后的HZSM-5分子篩對(duì)于促進(jìn)生物質(zhì)熱解過程中脫羰基、羧基反應(yīng)具有明顯效果,Ni負(fù)載量為10%時(shí),脫羰基效果最好;Ni改性催化劑對(duì)于促進(jìn)酚類物質(zhì)形成具有顯著效果,負(fù)載量為10%時(shí),催化效果最好.Ni/HZSM-5對(duì)玉米秸稈催化熱解產(chǎn)物中的酮類、酚類含量具有明顯的調(diào)控作用.
表3不同分子篩催化劑對(duì)熱解生物油主要組分的影響
組分類型峰面積百分比/%無催化劑Non-catalystHZSM-5Ni(3%)/HZSM-5Ni(5%)/HZSM-5Ni(10%)/HZSM-5醇類23.4826.5626.8226.3526.29酮類25.0025.4324.0223.1922.78酸類22.4520.6620.6020.5520.27酚類6.968.5410.3710.4510.95呋喃類6.616.336.706.696.82醛類3.943.753.543.403.09
3結(jié)論
(1)采用浸漬法制備的Ni/HZSM-5催化劑的粒度均一性良好,Ni改性未影響HZSM-5的晶體骨架結(jié)構(gòu);Ni在分子篩表面負(fù)載均勻沒有團(tuán)聚成大的顆粒,以高度分散的形式存在;改性后的HZSM-5隨著Ni負(fù)載量的增加比表面積、孔容積減小,平均孔徑增大.
(2)HZSM-5用于催化熱解試驗(yàn),生物油得率下降,含水率下降;酸類、醛類、呋喃類等含氧化合物降低,醇類、酚類含量上升,表明HZSM-5對(duì)生物質(zhì)的熱解液化存在明顯的催化作用.
(3)Ni改性HZSM-5后,生物油得率上升,且Ni負(fù)載量為3%時(shí)生物油得率最高;酮類含量明顯降低表明,Ni對(duì)于生物質(zhì)熱解過程中的脫羰基反應(yīng)有明顯的促進(jìn)作用;酚類含量進(jìn)一步升高表明,Ni對(duì)于促進(jìn)酚類物質(zhì)形成具有顯著效果.
參考文獻(xiàn):
[1]馬廣鵬, 張穎. 中國(guó)生物質(zhì)能源發(fā)展現(xiàn)狀及問題探討[J]. 農(nóng)業(yè)科技管理, 2013, 32(1): 20-22, 75.
[2]王雅鵬. 中國(guó)生物質(zhì)能源開發(fā)利用探索性研究[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2010.
[3]ChangCC,WuSR,LinCC,etal.Fastpyrolysisofbiomassgas:Fractionationofpyrolysisvaporusingasprayofbio-oil[J].Energy&Fuels, 2012, 26 (5): 2 962-2 967.
[4]FrenchR,CzernikS.Catalyticpyrolysisofbiomassforbiofuelsproduction[J].FuelProcessingTechnology, 2010, 91(1): 25-32.
[5]潘其文, 肖睿, 張會(huì)巖. 生物油改性及催化熱解技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 能源研究與利用, 2009, 5(4): 1-4.
[6]LuQ,ZhangY.Catalyticupgradingofbiomassfastpyrolysisvaporswithtinaiaandzircon/titaniabasedcatalysts[J].Fuel, 2010, 89(8): 2 096-2 013.
[7]ZhangHY,XiaoR,HuangH,etal.Comparisonofnon-catalyticandcatalyticfastpyrolysisofcorncobinafluidizedbedreactor[J].BioresoureTechnology, 2009, 100(3): 1 428-1 434.
[9]PanP,HuCW,LiYS,etal.Thedirectpyrolysisandcatalyticpyrolysisofnannochloropsisresidueforrenewablebio-oils[J].BioresourceTechnology, 2010, 101(12): 4 593-4 599.
[10]DuZY,MaXC,LiY,etal.Productionofaromatichydrocarbonsbycatalyticpyrolysisofmicroalgaewithzeolites:Catalystscreeninginapyroprobe[J].BioresourceTechnology, 2013,139: 397-401.
[11]楊小明, 羅京娥. 磷氧化物改性對(duì)ZSM-5 沸石物化性質(zhì)及擇形催化性能的影響[J]. 石油煉制與化工, 2001, 32( 11): 491-493.
[12]沈德建, 劉宗章, 張敏華. 改性HZSM-5 催化乙醇脫水制乙烯的研究[J]. 分子催化, 2012, 26(3): 225-232.
[13]江婷, 章青, 王鐵軍, 等.Ni/HZSM-5 的結(jié)構(gòu)及催化木糖醇水相加氫合成液體烷烴的性能研究[J]. 無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 28(5): 971-978.
[14]李鳳義,劉宗章,沈德建,等. 鎳改性HZSM-5催化乙醇脫水制備乙烯[J]. 現(xiàn)代化工, 2013, 33(5): 54-57.
[15]王賢華. 生物質(zhì)流化床熱解液化試驗(yàn)研究及應(yīng)用[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2007.
[16]李小華, 陳磊, 樊永勝, 等.Zn-P復(fù)合改性HZSM-5 在線催化熱解獲取生物油的研究[J]. 燃料化學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 43(5): 567-574.
[17]FlanigenEM,VanBH,JansenJ.IntroductiontoZeoliteScienceandPractice[M].Amsterdam:ElsevierScience, 1991.
[18]RachapudiR,ChintawarPS,GreeneHL.Agingandstructure/activitycharacteristicsofCR-ZSM-5catalystsduringexposuretochlorinatedVOCs[J].JournalofCatalysis, 1999, 185(1): 58-72.
[19]許崢, 張?chǎng)? 張繼炎, 等. 超細(xì)鎳基催化劑上CH4-CO2重整反應(yīng)的性能Ⅰ.制備方法對(duì)催化劑結(jié)構(gòu)和還原性能的影響[J].催化學(xué)報(bào), 2000,21(3):234-238.
[20]李基濤, 陳明旦, 張偉德, 等.載體對(duì)鎳基催化劑CH4/CO2重整制合成氣性能的影響[J]. 分子催化, 1999, 13(4):277-280.
[21]程明楊. 農(nóng)林廢棄物催化液化的研究[D]. 長(zhǎng)沙: 湖南大學(xué), 2009.
[22]王麗紅, 柏雪源, 易維明, 等. 玉米秸稈熱解生物油特性的研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2006, 22( 3): 108- 111.
[23]MortensenPM,GrunwaldtJD,JensenPA,etal.Areviewofcatalyticupgradingofbio-oiltoenginefuels[J].ReviewArticleAppliedCatalysisA:Genera, 2011, 407( 1 /2): 1-19.
[24]徐俊明, 蔣劍春, 呂微, 等. 生物質(zhì)熱解油中各成分的精制與應(yīng)用[J]. 林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè), 2010, 30(2): 1-5.
[25]YeR,ZhangY,FanJ,etal.Selectiveproductionof4-ethylphenolicsfromligninviamildhydrogenolysis[J].BioresourTechnol, 2012, 118: 648-651.
(編輯:郝秀清)
Studyonproductionofbio-oilbycatalystfastpyrolysisofcornstalksusingNi/HZSM-5
LIUNing,WANGLi-hong,YIWei-ming
(SchoolofAgriculturalEngineeringandFoodScience,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China)
Abstract:In this study, Ni was selected to modify the HZSM-5 zeolite for further improving the production and quality of bio-oil derived from biomass catalytic fast pyrolysis (CFP). The Ni/HZSM-5 samples prepared using impregnation method were characterized with laser particle size analyzer, SEM, XRD and BET. The influence of Ni/HZSM-5 on the physicochemical properties of bio-oil and chemical compositions of aqueous phase were investigated. The results showed that the crystalline structure of HZSM-5 was not affected by the modification process, and a uniform distribution of Ni on HZSM-5 surface was achieved. Meanwhile, the BET surface area of modified Ni/HZSM-5 decreased with Ni loading amount increasing. Compared with non-catalytic fast pyrolysis (non-CFP), the bio-oil yield decreased significantly during CFP process with original HZSM-5. Besides, the relative contents of acids, aldehydes and furans (oxygenated organic compounds) in bio-oil decreased, while the relative contents of alcohols and phenols in bio-oil increased significantly. Additionally, the modified Ni/HZSM-5 increased the bio-oil yield in contrast with original HZSM-5. Moreover, the relative content of ketones in bio-oil reduced dramatically and the relative content of phenols further increased, indicating that Ni/HZSM 5 has obvious control effect on the production of ketones and phenols in biomass pyrolysis products.
Key words:corn stalks; catalytic fast pyrolysis; Ni/HZSM-5; bio-oil
收稿日期:2015-11-25
基金項(xiàng)目:863 計(jì)劃課題(2012AA101808);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51276103);山東省高等學(xué)??萍加?jì)劃(J13LE13)
作者簡(jiǎn)介:劉寧,女,284133797@qq.com; 通信作者:易維明,男,yiweiming@sdut.edu.cn
文章編號(hào):1672-6197(2016)05-0001-06
中圖分類號(hào):TK16
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2016年5期