吳蔚,樊啟洲,易寶軍,劉弼臣
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,武漢 430070
生物質(zhì)氣化是轉(zhuǎn)化生物質(zhì)能的重要技術(shù)之一,但是副產(chǎn)物焦油的存在嚴重制約了氣化技術(shù)的發(fā)展[1-2]。焦油的去除成為生物質(zhì)氣化技術(shù)面臨的巨大挑戰(zhàn)[3]。蒸汽重整被認為是將焦油轉(zhuǎn)化為H2和CO的潛在技術(shù)[4]。開發(fā)制備簡單、價格低廉、高活性和高穩(wěn)定性的蒸汽重整催化劑是解決該問題的關(guān)鍵措施之一[5]。研究表明,鎳基催化劑對焦油蒸汽催化重整反應(yīng)有較高的活性[6-7]。在負載型金屬(如Ni、Co、Fe、Pt、Pd等)催化劑中,相比負載貴金屬和其他過渡金屬催化劑,Ni基催化劑展現(xiàn)出良好的活性/成本比[8]。但是一般單金屬Ni基催化劑容易形成積炭導(dǎo)致失活,需要對其進行改性[9]。通常將Ni基催化劑負載于載體上可以改善催化劑的活性。
研究發(fā)現(xiàn),富含二氧化硅的稻殼灰(rice husk ash,RHA)可直接用作去除生物熱轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的焦油的催化劑或載體[10]。Shen等[11]研究了原位生物質(zhì)熱解稻殼炭和炭載鎳鐵催化劑對焦油的干法重整,煅燒后Ni/炭(C-SiO2)對可凝性焦油的轉(zhuǎn)化效率可達到93%,RHA上表面礦物對焦油轉(zhuǎn)化也起到催化作用。此外,在二氧化硅載體上負載鎳、鐵、銅等過渡金屬來增強催化活性。Blanco等[12]研究了一系列Ni/SiO2催化劑在兩級熱重整系統(tǒng)中制氫和焦油還原方面的適用性,結(jié)果表明通過溶膠-凝膠法制備的Ni/SiO2催化劑表現(xiàn)出最佳的性能。這些研究表明,RHA作為鎳基催化劑的載體在焦油催化中的潛力巨大。
堿性金屬氧化物添加到Ni基催化劑可以改善催化劑的積炭性能。Chen等[13]研究了HZSM-5負載的Ni-MgO催化劑對生物質(zhì)焦油的催化裂解性能,發(fā)現(xiàn)Ni-MgO/HZSM-5相比Ni/HZSM-5催化劑,在生物質(zhì)焦油催化裂解中表現(xiàn)出最高的催化活性和最低的焦炭沉積率。Ahmed等[14]考察了以甲苯為焦油模型化合物的Ni/zeolite、Ni-Fe/zeolite、Ni-Fe-Mg/zeolite催化劑的蒸汽重整性能,發(fā)現(xiàn)Mg可使鎳鐵合金形成更多的堿性催化位點,增強活化CO2的能力,提高了催化劑碳沉積的耐受性。因此,堿金屬中的MgO添加到鎳基催化劑中,可以改善催化劑的積炭性能。
在改性鎳基催化劑中,金屬Ni的負載量不僅影響著鎳基催化劑的活性也制約著制備成本。目前有關(guān)鎳基催化劑處理焦油的研究,鮮見以稻殼灰(RHA)負載Ni-Mg活性組分的催化劑對生物質(zhì)焦油水蒸氣重整的報道。本研究選用稻殼灰(RHA)為Ni基載體、MgO為助催化劑、甲苯為焦油模型化合物,研究Ni和MgO的負載量、反應(yīng)溫度、S/C(水和碳的質(zhì)量比,簡稱為水/碳,下同)和體積空速對甲苯轉(zhuǎn)化率、氣體組分和催化劑積炭的影響,旨在考察Mg作為Ni/RHA催化劑助劑的作用機制,進一步提高Ni/RHA催化劑的經(jīng)濟性和抗積炭性能。
1)試劑。生物質(zhì)材料,稻殼(rice husk,RH);分子篩,HZSM-5,天津南開催化劑有限公司;甲苯、硝酸鎳、硝酸鎂,均為分析純,國藥集團化學(xué)試劑有限公司;實驗用水均為去離子水。
2)儀器。馬弗爐,XL-1,鶴壁科達有限公司;管式電阻爐,SK-13,北京光明儀器有限公司;質(zhì)量流量控制器,0-10SLM,北京七星華創(chuàng)電子股份有限責(zé)任公司;注射泵,LSP02-1B,蘭格恒流泵有限公司;蠕動泵, BT100M,保定創(chuàng)銳儀器有限公司;高純氫氣發(fā)生器, SPH-500A,北京中惠普分析技術(shù)研究院;煙氣分析儀,Gasboard-3000,武漢四方科技有限公司;X-射線粉末衍射儀,D8Advance,德國Bruker公司;比表面及孔徑分析儀,ASAP2020,美國Micromeritics公司;TA同步熱分析儀,SDTQ600,美國TA公司。
1)Ni-Mg/RH制備。稻殼(RH)置于烘箱中36~48 h干燥,去除稻殼中的水分后,將RH研磨至粒徑為100~200 μm。稱取一定量的RH浸漬于Ni(NO3)2·6H2O和Mg(NO3)2·6H2O混合水溶液中,浸漬攪拌4 h,超聲震蕩2 h。超聲后的混合溶液持續(xù)攪拌,磁力攪拌器升溫至80 ℃,直至混合液中水分完全蒸發(fā)。
2)Ni-Mg/RHA制備。將所得RH負載活性金屬Ni-Mg樣品放置于105 ℃烘箱中干燥12 h,干燥后的催化劑置于馬弗爐中,以10 ℃/min的升溫速度升高至600 ℃,煅燒3 h,得到Ni-Mg/RHA催化劑。在活性測試之前,將制備的催化劑材料在600 ℃的H2氣流中還原3 h。
甲苯的蒸汽重整反應(yīng)在固定床管式流動反應(yīng)器中進行,該反應(yīng)器置于管式爐中,如圖1所示。石英反應(yīng)器的內(nèi)徑為20 mm。催化劑兩端用石英棉支撐,稱取0.5 g催化劑加載至石英反應(yīng)管中心。反應(yīng)器的溫度由溫度控制器控制,催化反應(yīng)溫度為600~800 ℃。催化系統(tǒng)載氣為N2。分別使用注射泵和蠕動泵將甲苯和水(進料速度分別為0.033、0.04~0.16 mL/min)的混合液注射到蒸發(fā)器中,蒸發(fā)器的溫度為150 ℃,在此將反應(yīng)物與N2混合。由質(zhì)量流量計控制N2以30 mL/min的流速攜帶至反應(yīng)器中,氣體時空速度(GHSV)約為3 600 mL/(g·h)。參考文獻[15],本研究的甲苯催化重整反應(yīng)選擇為2 h。反應(yīng)產(chǎn)物通過水浴冷凝后回收,用濕式流量計測量產(chǎn)物氣體體積,用氣袋收集反應(yīng)產(chǎn)生氣體。通過煙氣分析儀檢測產(chǎn)物氣體分布和組分。反應(yīng)20 min后將氣體通入煙氣分析儀分析,計算出產(chǎn)氣的平均值。甲苯的碳轉(zhuǎn)化率采用公式(1)進行計算。
(1)
式(1)中:X為甲苯的碳轉(zhuǎn)化率,Q為氣體總體積,L;VCO、VCO2、VCH4分別是氣體產(chǎn)物中CO、CO2、CH4的體積分數(shù),%;M為氣體的摩爾體積,22.4 L/mol;NC為甲苯中碳原子的物質(zhì)的量,mol。
圖1 蒸汽重整裝置示意圖
在固定床反應(yīng)溫度700 ℃、S/C為3、反應(yīng)時間2 h條件下考察不同Ni、Mg負載量(濕質(zhì)量,以下全文表示催化劑中金屬或金屬氧化物均為濕質(zhì)量條件下的質(zhì)量分數(shù))的Ni/RHA、Ni-Mg/RHA和對照組3Ni/HZSM-5、3Ni-6Mg/HZSM-5催化劑對甲苯蒸汽重整甲苯轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)氣量以及氣體產(chǎn)物組分的影響。如圖2A所示,對于單金屬Ni/RHA催化劑,隨著Ni的負載量增加,甲苯轉(zhuǎn)化率先增大后減小。當(dāng)Ni的負載量為3%時,甲苯轉(zhuǎn)化率為19.4%,產(chǎn)氣量為16.5 L/g。與此同時,3Ni/HZSM-5催化劑的甲苯轉(zhuǎn)化率為39.4%,產(chǎn)氣量為26.2 L/g。3Ni/RHA催化活性略低于3Ni/HZSM-5。由圖2B可知,Ni/RHA和3Ni/HZSM-5催化氣體產(chǎn)物組分含量差異不大,說明RHA負載鎳基催化劑接近了HZSM-5負載的催化效果。一般來說,在Ni基催化劑中,催化劑載體在催化反應(yīng)中起著重要的作用,載體為反應(yīng)物提供吸附位點,并與活性金屬相互作用得到新的相[16]。Ni/RHA和Ni/HZSM-5相比,表現(xiàn)出較差的催化活性,原因可能是RHA相比HZSM-5載體,沒有發(fā)達的孔結(jié)構(gòu),為甲苯和水蒸氣的反應(yīng)提供的場所不足,導(dǎo)致催化活性較差。
圖2 Ni的負載量對甲苯轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)氣量(A)和氣體產(chǎn)物組分(B)的影響
在單金屬Ni/RHA催化劑中,6Ni/RHA相比于3Ni/RHA催化劑,活性金屬負載量增加了1倍,催化效果增加不明顯,考慮到Ni基催化劑的制備成本,在低Ni負載量條件下的改善更加具有經(jīng)濟性,因此,選擇通過添加MgO提升3Ni/RHA的催化性能。由圖3A可知,低負載金屬3Ni/RHA催化劑添加MgO后其催化活性顯著提升。3Ni-3Mg/RHA相比3Ni/RHA,甲苯轉(zhuǎn)化率從19.3%增加至93.4%,產(chǎn)氣量從16.5 L/g增加至39.34 L/g,這可能是由于Ni和MgO之間形成了(Ni、Mg)O固溶體活性中心,提高了催化劑的活性[17]。隨著MgO負載量的增加,甲苯轉(zhuǎn)化率先增加后減小。當(dāng)MgO負載量為6%時,甲苯轉(zhuǎn)化率與產(chǎn)氣量最高分別達98.6%和41.8 L/g,MgO負載量進一步增加,3Ni-9Mg/RHA甲苯轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)氣量分別降低至93%和40.3 L/g,可能是MgO的負載量過高,使催化劑表面的晶體發(fā)生團聚或催化劑載體孔的堵塞,導(dǎo)致催化活性降低。相同MgO負載量下,3Ni-6Mg/HZSM-5催化劑的甲苯轉(zhuǎn)化率為71.1%,產(chǎn)氣量為31.6 L/g,催化活性低于3Ni-6Mg/RHA催化劑,這表明MgO的負載對Ni/RHA的促進作用高于對Ni/HZSM-5催化劑。由圖3B可知,氣體產(chǎn)物組分中隨著MgO負載量的增加,H2和CO2的含量分別從61.5%和13.1%逐漸增加至63.6%和16.2%,CO的含量從24.7%逐漸下降為20%,這表明MgO的添加促進了水煤氣轉(zhuǎn)化反應(yīng),提升了氣體產(chǎn)物中H2和CO2的含量,增加了蒸汽重整反應(yīng)性。需要說明的是,圖2B和圖3B只是氣體比例,絕對量的增加是甲苯轉(zhuǎn)化率增加產(chǎn)生的。
圖3 Mg的負載量對甲苯轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)氣量(A)和氣體產(chǎn)物組分(B)的影響
3Ni-3Mg/RHA、3Ni-6Mg/RHA、3Ni-9Mg/RHA等催化劑催化重整甲苯水蒸氣反應(yīng)后的Ni-Mg/RHA催化劑的積炭率分別為1.86%、1.78%、2.13%,表明催化劑積炭率隨著Mg負載量增加而先增加后減少,當(dāng)Mg含量為6%時,3Ni-6Mg/RHA催化劑表面積炭僅為1.78%,表現(xiàn)出優(yōu)良的抗積炭能力,這歸因于堿性的Mg增加催化劑吸附CO2的能力,并有助于去除表面積炭。Luo等[18]研究了納米NixMgyO固溶體的開發(fā),用于甲醇的蒸汽重整,發(fā)現(xiàn)Mg的添加可以有效抑制焦炭沉積。當(dāng)Mg負載量低時,NiO和MgO接觸少,形成NiMgO固溶體活性中心相對較少,相互作用力小,形成NiMgO固溶體活性中心相對較少,導(dǎo)致催化劑活性不足,未反應(yīng)的甲苯生成積炭易于附著在催化劑表面;當(dāng)Mg負載量過高時,活性金屬發(fā)生團聚,阻止了活性位點與甲苯和水蒸氣接觸,導(dǎo)致催化活性下降,在催化劑表面形成積炭。因此,3Ni-6Mg/RHA表現(xiàn)出最佳的甲苯蒸汽重整催化性能。
圖4為催化劑3Ni-6Mg/RHA在反應(yīng)溫度為650~800 ℃、S/C為3條件下的甲苯轉(zhuǎn)化率和氣體組分。由圖4中可知,3Ni-6Mg/RHA的催化活性非常依賴反應(yīng)溫度,隨著反應(yīng)溫度的升高,甲苯轉(zhuǎn)化率先增加后減少;在650 ℃時,甲苯的轉(zhuǎn)化率為82.5%,隨著催化反應(yīng)溫度從650 ℃升高至700 ℃,甲苯轉(zhuǎn)化率顯著升高,達到最大值(98.6%),繼續(xù)升高溫度至800 ℃,甲苯的轉(zhuǎn)化率下降至92.8%。由于甲苯水蒸氣催化重整反應(yīng)中以吸熱反應(yīng)為主,反應(yīng)溫度的升高提高了反應(yīng)速率,加快了甲苯與水蒸氣的重整反應(yīng)。800 ℃時3Ni-6Mg/RHA雖然保持較高的催化活性,但相比700 ℃條件下,甲苯的轉(zhuǎn)化率有所下降,原因是活性金屬Ni顆粒在高溫下發(fā)生燒結(jié),導(dǎo)致催化活性降低。當(dāng)催化反應(yīng)溫度從650 ℃升高至700 ℃時,H2的含量從61.2%上升至62.8%,CO的含量從24.1%下降至22%,這歸因于溫度升高促進了水煤氣變化反應(yīng),導(dǎo)致H2和CO2含量上升。當(dāng)反應(yīng)溫度從700 ℃升高至800 ℃,由于高溫加速甲苯自身裂解反應(yīng)分解成炭,導(dǎo)致催化劑表面積炭,從而降低了催化活性。因此,3Ni-6Mg/RHA在低溫下催化活性一般,高溫下具有良好的催化活性,最佳的反應(yīng)溫度為700 ℃。
圖4 溫度對3Ni-6Mg/RHA催化劑的甲苯轉(zhuǎn)化率和氣體產(chǎn)物組分的影響
圖5為3Ni-6Mg/RHA催化劑在不同水和碳質(zhì)量比(S/C)下的甲苯轉(zhuǎn)化率和氣體產(chǎn)物組分,反應(yīng)溫度為700 ℃。由圖5可知,S/C對Ni-Mg-Ce/HZSM-5催化劑的催化活性有著顯著影響。當(dāng)S/C分別為1、2、3、4 時,相應(yīng)甲苯轉(zhuǎn)化率分別為34.1%、85.5%、98.6%、94.7%。這是因為水蒸氣和甲苯會發(fā)生催化重整反應(yīng),促進H2和CO的生成,但S/C較高時,催化劑表面上水蒸氣吸附飽和,減少了甲苯與表面活性位點的接觸,導(dǎo)致甲苯轉(zhuǎn)化率降低。在氣體產(chǎn)物組分中可知,隨著S/C的增加,H2和CO2的含量逐漸增加,CO和CH4的含量逐漸減少。當(dāng)S/C為1時,H2、CO、CO2的含量分別為58.1%、34.8%和5.18%,當(dāng)S/C為4時,H2、CO2的含量分別增加至64.9%和18.2%,而CO的含量減少至16.6%。
圖5 S/C對3Ni-6Mg/RHA催化劑的甲苯轉(zhuǎn)化率和氣體產(chǎn)物組分的影響
隨著S/C的增加,水蒸氣促進了甲苯蒸汽重整和水煤氣變化反應(yīng)向生成H2和CO2的方向進行,從而使得氣體產(chǎn)物中H2和CO2含量上升,CO的含量下降。綜合甲苯轉(zhuǎn)化率和氣體產(chǎn)物組分的影響,3Ni-6Mg/RHA催化劑對甲苯水蒸氣重整的最佳S/C為3。
前文結(jié)果表明,3Ni-6Mg/RHA催化劑在反應(yīng)溫度700 ℃、S/C為3時表現(xiàn)出最佳的催化活性,甲苯的轉(zhuǎn)化率可達98.6%,在此條件下進行催化劑的穩(wěn)定性試驗(圖6)。隨著反應(yīng)時間的增加,甲苯的轉(zhuǎn)化率保持穩(wěn)定,直至8 h反應(yīng)結(jié)束,甲苯的轉(zhuǎn)化率穩(wěn)定維持在90.4%以上,并且氣體產(chǎn)物組成穩(wěn)定,H2含量在63.5%以上,這表明反應(yīng)中沒有生成導(dǎo)致催化劑失活的積炭,3Ni-6Mg/RHA催化劑對甲苯蒸汽重整有著較高的催化活性和較強的穩(wěn)定性。
圖6 3Ni-6Mg/RHA催化劑穩(wěn)定性測試
由表1可知,本研究制備的3Ni-6Mg/RHA催化劑對甲苯蒸汽重整具有良好的催化性能。與高負載鎳催化劑相比,MgO降低了鎳的負載,提高了催化活性。此外,MgO提高了催化劑的抗結(jié)焦性。
表1 甲苯蒸汽重整催化劑的催化活性和積炭率比較 Table 1 Comparison of catalytic activity and coking rate of toluene steam reforming catalyst
由圖7A可知,在600 ℃的煅燒溫度下制備的RHA沒有發(fā)現(xiàn)明顯的吸收峰,結(jié)晶度較低,這表明RHA的晶型結(jié)構(gòu)在此煅燒溫度下是非晶態(tài)的,其中RHA主要成分為SiO2。研究表明,RHA中的二氧化硅在550~800 ℃下會形成無定形二氧化硅,以非晶狀態(tài)存在[19]。圖7A中可觀察到在2θ為43.3o和63.2o有2個特征峰,對應(yīng)著NiO的特征峰。由于Ni2+的離子半徑(0.070 mm)和Mg2+(0.065 mm)近似,并且兩者易形成固溶體[20],因此,NiO、MgO和NiO-MgO固溶體衍射角度差別不大。2θ為43.0o和62.5o有2個特征峰,對應(yīng)著MgO的特征峰; 2θ為43.3o和63.7o有2個特征峰,對應(yīng)著NiMgO固溶體的特征峰,可以看出NiO、MgO和NiO-MgO固溶體衍射峰十分接近。
A:未還原 Fresh; B:還原后 Reduced.
圖7B是RHA負載催化劑還原后的XRD圖譜,對比圖7A可知,還原前后各自的特征峰角度無明顯變化。在2θ為43.3o的特征峰,對應(yīng)著Ni(111)的特征峰。當(dāng)添加MgO后,發(fā)現(xiàn)Ni-Mg/RHA上未出現(xiàn)Ni的特征峰,出現(xiàn)NiMgO的特征峰,且峰的衍射角度向左偏移,說明NiO與MgO相互作用,形成NiMgO的晶相結(jié)構(gòu),更容易在低衍射度下被檢測。除此之外,對于3Ni/RHA催化劑,添加3%的MgO后,在2θ為43.3o的特征峰變寬,峰強度降低,這說明MgO改善了活性金屬Ni的分散度。通過對比不同Mg負載量的3Ni-Mg/RHA的XRD圖發(fā)現(xiàn),衍射峰的強度隨著負載量的增加而增強,說明負載金屬的晶粒尺寸在逐漸增加。當(dāng)負載量過高時,活性金屬易在表面發(fā)生堆積,導(dǎo)致晶體的團聚或堵塞催化劑載體孔道[21]。
圖8為MgO加入Ni/RHA催化劑前后的掃描電鏡圖像。MgO負載對催化劑的整體形貌有明顯的影響。3Ni/RHA催化劑結(jié)構(gòu)表面光滑,有少量的微粒附著在上面,這些微??赡苁墙饘冁嚨幕钚晕稽c(圖8A)。MgO的加入使催化劑的形貌發(fā)生了明顯的變化。3Ni-3Mg/RHA催化劑表面出現(xiàn)較大顆粒,可能是形成的NiO-MgO固溶體(圖8B)。這些大顆粒促進了催化劑與甲苯的相互作用,從而提高了催化反應(yīng)性能。3Ni-6Mg/RHA催化劑表面變得致密,有明顯的層狀結(jié)構(gòu)(圖8C),為催化反應(yīng)提供了更多的場所。在3Ni-9Mg/RHA催化劑表面觀察到金屬團聚的現(xiàn)象(圖8D)。隨著MgO的加入,催化劑表面多孔結(jié)構(gòu)明顯增加。然而,過量的MgO負載會導(dǎo)致金屬團聚,導(dǎo)致孔洞堵塞,阻止反應(yīng)氣體擴散到催化劑載體中,最終導(dǎo)致催化活性降低。
A:3Ni/RHA; B:3Ni-3Mg/RHA; C:3Ni-6Mg/HZSM-5; D:3Ni-9Mg/RHA.
表2顯示了具有不同Mg負載量的3Ni-Mg/RHA催化劑的比表面積和孔結(jié)構(gòu)參數(shù),其中加入3Ni/HZSM-5作為參照。HZSM-5作為一種介孔材料,具有發(fā)達的孔徑結(jié)構(gòu)。3Ni/HZSM-5的比表面積為260 m2/g、孔粒徑2.3 nm,而3Ni/RHA的比表面積僅為24 m2/g、孔粒徑22.6 nm,兩者相差10倍左右(表2),說明以無定型二氧化硅為主的RHA載體其孔徑結(jié)構(gòu)不發(fā)達,沒有多孔結(jié)構(gòu),導(dǎo)致Ni顆粒在催化表面的活性位點較少。添加Mg助劑后,催化劑比表面積和平均孔體積增加,孔粒徑減小。當(dāng)Mg負載量為6%時,3Ni-6Mg/RHA相比3Ni/RHA催化劑的表面積從24 m2/g增加至72 m2/g,平均孔體積從0.14 cm3/g增加至0.20 cm3/g,孔粒徑從22.6 nm減小至11.3 nm,可能的原因是MgO的添加后,MgO與NiO相互作用形成的固溶體集中在催化劑的外層,使催化劑表面變得粗糙多孔,使比表面積和平均孔體積擴大。
結(jié)合圖8觀察到3Ni-Mg/RHA的表面形貌,添加MgO后,Ni/RHA表面出現(xiàn)大顆粒物質(zhì),而這個大顆粒是由表面小顆粒凸出增加而形成的,不是本身顆粒團聚變大,因此對比表面積沒有減小。Blanco等[12]研究表明,金屬助劑的添加可能導(dǎo)致金屬表面活性位點的改變或催化劑表面幾何結(jié)構(gòu)的改變。隨著MgO的加入,催化劑表面多孔結(jié)構(gòu)明顯增加,這與SEM分析結(jié)果一致。結(jié)合Ni/RHA和Ni-Mg/RHA催化劑在甲苯水蒸氣催化重整的活性測試中發(fā)現(xiàn),由于Ni/RHA催化劑比表面積低,孔體積小,活性金屬聚集在催化劑外層,其內(nèi)部沒有多孔結(jié)構(gòu),導(dǎo)致甲苯催化重整后積炭形成,容易覆蓋活性位點,這可能是Ni/RHA催化劑催化活性差的原因。一般來說,對于鎳基催化劑,載體的孔徑越大,越容易讓反應(yīng)物分子進入到孔道內(nèi),使負載在孔道里的鎳顆粒充分反應(yīng)。而添加MgO改性后,催化劑表面積和孔體積變大,表面產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu),為甲苯和水蒸氣提供了更多的反應(yīng)場所,增加了催化劑的活性位點,從而提升了催化劑的催化性能。
表2 RHA負載催化劑的孔結(jié)構(gòu)分析 Table 2 Analysis of the pore structure of RHA supported catalyst
一般來說,在Ni基催化劑中,催化劑載體在催化反應(yīng)中起著重要的作用,載體為反應(yīng)物提供吸附位點,并與活性金屬相互作用得到新的相[16]。Ni/RHA和Ni/HZSM-5相比,RHA作為生物質(zhì)燃燒產(chǎn)物,其比表面積小、孔徑結(jié)構(gòu)簡單。在Ni/RHA催化劑中,活性金屬聚集在催化劑外層,其內(nèi)部沒有多孔結(jié)構(gòu),甲苯催化重整后易形成積炭覆蓋活性位點,導(dǎo)致單金屬Ni負載的Ni/RHA催化劑的催化活性較低。而添加MgO改性后,催化劑表面積和孔體積變大,表面產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu),說明MgO的負載改善了RHA負載催化劑的比表面積和孔體積,為甲苯和水蒸氣提供了更多的反應(yīng)場所。在晶體結(jié)構(gòu)分析中發(fā)現(xiàn),添加MgO后,Ni-Mg/RHA上未出現(xiàn)Ni的特征峰,出現(xiàn)NiMgO的特征峰,且峰的衍射角度向左偏移,由于NiO與MgO相互作用,形成NiMgO的晶相結(jié)構(gòu),更容易在低衍射度下被檢測,這說明MgO改善了活性金屬Ni的分散度,并提供了NiMgO固溶體活性位點,從而提升了催化性能。當(dāng)Mg負載量低時,NiO和MgO接觸少,相互作用力小,形成NiMgO固溶體活性中心相對較少,導(dǎo)致催化劑活性不足,未反應(yīng)的甲苯生成積炭易于附著在催化劑表面;當(dāng)Mg負載量過高時,活性金屬發(fā)生團聚,阻止了活性位點與甲苯和水蒸氣接觸,導(dǎo)致催化活性下降,在催化劑表面形成積炭。MgO負載量為6%時,3Ni-6Mg/RHA催化劑的性能最佳。3Ni-6Mg/RHA的最佳反應(yīng)條件為溫度700 ℃、S/C為3,水蒸氣重整性能最佳,甲苯轉(zhuǎn)化率高達98.6%,反應(yīng)后催化劑積炭為1.78%,在8 h連續(xù)穩(wěn)定性測試,保持著較高的催化活性。本研究結(jié)果表明,添加稻殼灰(RHA)和堿土金屬MgO的改性Ni/RHA催化劑在甲苯的蒸汽重整中表現(xiàn)良好的催化活性,實現(xiàn)了價格低廉的谷殼灰作為Ni劑催化劑載體,通過MgO負載使催化劑達到高活性的催化重整性能。