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CN111346643B - 一种用于焦油微波催化裂解的抗烧结催化剂及制备方法 - Google Patents

一种用于焦油微波催化裂解的抗烧结催化剂及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于焦油微波催化裂解的抗烧结催化剂，涉及垃圾处理技术领域，包括微波吸收组分、催化裂解组分、抗烧结组分和抗氧化抗积碳组分，其中，微波吸收组分45％‑60％，催化裂解组分15％‑30％，抗烧结组分20.0％‑25.0％，抗氧化抗积碳组分0.1％‑0.5％。本发明实施例包括：向尿素、硝酸镁、硝酸镍和硝酸镧的混合物中加入去离子水并搅拌均匀反应得到物料A；超声分散物料A并再次将其搅拌均匀后均匀喷涂在纳米碳化硅上得到物料B；干燥物料B并热处理得到最终产物。本发明催化剂组分与功能结构设计，不仅能在保证催化活性的同时降低反应温度，而且能增强催化材料的抗烧结和抗氧化性能，延长催化剂的使用寿命。

Description

一种用于焦油微波催化裂解的抗烧结催化剂及制备方法
技术领域
本发明涉及垃圾处理技术领域，尤其涉及一种用于焦油微波催化裂解的抗烧结催化剂及制备方法。
背景技术
随着生活水平的日益提高，有机废弃物产量大大增加，并带来了严重的社会问题。从有机废弃物种类来看主要分为农业有机废物、工业有机废物及市政有机垃圾三大类。
目前，有机废弃物的处理主要采用焚烧与简易填埋这两种传统方法，然而随着生活垃圾无害化处理需求提升，因垃圾收运等条件限制，大型焚烧技术无法满足中小型规模的区县市及乡镇一级的垃圾处理。因而，投资较低且经济效益更高的热解气化技术被逐渐推广应用。
有机废弃物热解气化过程中，会不可避免产生焦油，但该物质对气化系统、用气设备等往往会产生不利影响，例如管道堵塞、设备腐蚀、影响用气设备安全运行等，大大降低了系统效率。因此，如何高效去除焦油并保障整体设备的安全与低成本运行至关重要。催化裂解技术作为一种较新的焦油去除方式也正受到人们广泛关注。
最近，微波技术在热解气化中得到了很好的应用，主要依靠其特殊的加热模式与较高的加热效率，特别是其选择性加热的特点，能大大提升能量使用效率并达到局部高温，非常适合在催化工程中应用。目前，传统做法还是将不吸波的普通催化材料与吸波材料均匀混合，通过吸波材料升温后经过热传导加热催化剂，最终实现催化过程。但这一过程从原则上并没用真正做到微波对催化材料的选择性加热，额外的热传导过程即不能保证催化材料的受热均匀性，也增加了能量损耗。
近年来，吸波催化材料也得到了一定的发展，利用纳米级碳化硅直接作为吸波载体浸渍各类催化活性组分，实现了真正的微波催化。不过问题也同样存在，主要是因为吸波材料直接对催化活性组分的加热，容易形成局部温度过高，导致活性组分快速烧结并逐步结焦并失活。由此可见，适用于微波技术的催化材料还有待开发，主要难点在于需同时保证催化材料活性，并提升其催化稳定性，主要涵盖抗烧结能力、抗氧化能力以及抗积碳能力，实现吸波催化材料的大规模制备。
本发明针对以上问题提出了解决方案，结合现有纳米级碳化硅负载技术与镍基催化材料抗烧结技术，合成一种用于焦油微波催化裂解的抗烧结催化剂，并可实现大规模生产。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于焦油微波催化裂解的抗烧结催化剂及制备方法，结合现有纳米级碳化硅负载技术与镍基催化材料抗烧结技术，高效去除焦油并保障整体设备的安全与低成本运行。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于焦油微波催化裂解的抗烧结催化剂，包括微波吸收组分、催化裂解组分、抗烧结组分和抗氧化抗积碳组分，按质量分数计所述微波吸收组分45％-60％，催化裂解组分15％-30％，抗烧结组分20.0％-25.0％，抗氧化抗积碳组分0.1％-0.5％。
本发明实施例还提供了一种用于焦油微波催化裂解的抗烧结催化剂的制备方法，包括以下步骤：
S100、向尿素、硝酸镁、硝酸镍和硝酸镧的混合物中加入去离子水并搅拌均匀，将混合物转移至反应釜中反应得到物料A；
S200、超声分散物料A并再次将其搅拌均匀后均匀喷涂在纳米碳化硅上得到物料B；
S300、干燥物料B并热处理得到最终产物。
本发明实施例与现有技术相比，优势在于：
本发明实施例制备的催化剂组分与功能结构设计，能在保证催化活性的同时降低反应温度，提升微波加热对催化反应的热效应。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的制备方法流程图；
图2为本发明实施例制备的抗烧结催化剂的透射电镜图，其中，(a)为纳米SiC负载镍镁固溶体透射电镜图；(b)为纯的镍镁固溶体透射电镜图；(c)为纯纳米SiC颗粒透射电镜图；(d)为纳米SiC负载镍镁固溶体的界面透射电镜高分辨图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
本发明提供的一种用于焦油微波催化裂解的抗烧结催化剂，包括微波吸收组分、催化裂解组分、抗烧结组分和抗氧化抗积碳组分，按质量分数计所述微波吸收组分45％-60％，催化裂解组分15％-30％，抗烧结组分20.0％-25.0％，抗氧化抗积碳组分0.1％-0.5％。
如图1发明的一个较佳实施例的制备方法流程图所示，本发明制备上述用于焦油微波催化裂解的抗烧结催化剂的方法包括：
S100、称取400-600g尿素、800-1200g硝酸镁、80-120g硝酸镍和6-10g硝酸镧充分混合，然后向混合物中加入去离子水并搅拌30-60mins至均匀，将混合物转移至反应釜中反应，反应温度控制为150-200℃，反应时间为12-14h，得到物料A；
S200、设置超声频率在20KHz以上，超声时间为10mins以上，超声分散物料A并再次将其搅拌均匀后均匀喷涂在纳米碳化硅上得到物料B，其中，纳米氧化硅的质量在800-1200g，比表面积在30m2/g以上；
S300、设置温度在90-110℃，干燥时间为3h以上干燥物料B后设置温度在600-800℃，煅烧时间为3-5h得到最终产物。
下面通过3个实施例说明本发明实施例的具体实施方式。
实施例1
S100、称取400g尿素、800g硝酸镁、80g硝酸镍和6g硝酸镧充分混合，然后向混合物中加入去离子水并搅拌30mins至均匀，将混合物转移至反应釜中反应，反应温度控制为150℃，反应12h，得到物料A；
S200、设置超声频率在20KHz以上，超声时间为10mins以上，超声分散物料A并再次将其搅拌均匀后均匀喷涂在纳米碳化硅上得到物料B，其中，纳米氧化硅的质量在800g，比表面积在40m2/g；
S300、设置温度在90℃，干燥时间为4h干燥物料B后设置温度在600℃，煅烧时间为3h得到最终产物。
实施例2
S100、称取500g尿素、1000g硝酸镁、100g硝酸镍和8g硝酸镧充分混合，然后向混合物中加入去离子水并搅拌40mins至均匀，将混合物转移至反应釜中反应，反应温度控制为180℃，反应13h，得到物料A；
S200、设置超声频率在20KHz以上，超声时间为10mins以上，超声分散物料A并再次将其搅拌均匀后均匀喷涂在纳米碳化硅上得到物料B，其中，纳米氧化硅的质量在1000g，比表面积在50m2/g；
S300、设置温度在100℃，干燥时间为4h干燥物料B后设置温度在700℃，煅烧时间为4h得到最终产物。
实施例3
S100、称取600g尿素、1200g硝酸镁、120g硝酸镍和10g硝酸镧充分混合，然后向混合物中加入去离子水并搅拌60mins至均匀，将混合物转移至反应釜中反应，反应温度控制为200℃，反应14h，得到物料A；
S200、设置超声频率在20KHz以上，超声时间为10mins以上，超声分散物料A并再次将其搅拌均匀后均匀喷涂在纳米碳化硅上得到物料B，其中，纳米氧化硅的质量在1200g，比表面积在50m2/g；
S300、设置温度在110℃，干燥时间为4h干燥物料B后设置温度在800℃，煅烧时间为5h得到最终产物。
通过上述实施例制备出的催化剂做透射电镜，结果如图2所示，其中(a)纳米SiC负载镍镁固溶体透射电镜图，可以看到镍镁固溶体尺寸大幅度减小至与碳化硅颗粒类似尺寸，且固溶体纳米片与碳化硅颗粒在纳米尺度上实现结合，形成了较多的“NiMgO+SiC”界面，其高分辨率图如(d)所示，由此可见镍镁固溶体同碳化硅非常好的结合在一起，当SiC纳米颗粒在微波下受热时，能将热非常直接快速地传递给周围的纳米镍镁固溶体，这同单纯的两种物质混合是有本质上的区别；(b)是单独合成的镍镁固溶体纳米薄片，可以看到一个多孔的材料，每一片的尺寸在500纳米以上；(c)图中展现了纯的SiC纳米颗粒形貌，颗粒尺寸在20-50纳米之间。
表1焦油模型物在不同催化剂及加热方式下的催化裂解实验对比表
Figure BDA0001917810060000061
从上述焦油模型物在不同催化剂及加热方式下的催化裂解实验对比表可以看到，NixMgyO-La体系催化剂在普通电加热条件下，温度为600℃时，苯酚转化率只有29.3％，当温度升高到700℃时，苯酚转化率提高到了91.7％，当再升高温度时，苯酚转化率变化不再明显；在600℃时H2产率在25.8％，当温度升高到700℃时，H2产率急剧提高到77.3％，当温度再次升高时，H2产率不再明显；在600℃时CO2产率在17.9％，当温度升高到700℃时，H2产率急剧提高到57.3％，当温度再次升高时，CO2产率提高幅度减小；而本发明实施例制备的NixMgyO-La/SiC体系催化剂在微波加热条件下，温度在400℃时，苯酚转化率就可以达到51.1％，继续升高温度到500℃时，苯酚转化率提高到87.9％，当温度达到700℃时，苯酚转化率即可达到92.5％，而要达到同样的苯酚转化率，NixMgyO-La体系催化剂在普通电加热条件下需要把温度升高到900℃；在400℃时H2产率在44％，当温度升高到500℃时，H2产率急剧提高到78.6％，当温度升高到700℃时，H2产率增加5％左右；在400℃时CO2产率在30.9％，当温度升高到500℃时，H2产率急剧提高到64.8％，当温度再次升高时，CO2产率提高幅度减小。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于焦油微波催化裂解的抗烧结催化剂，包括微波吸收组分、催化裂解组分、抗烧结组分和抗氧化抗积碳组分，按质量分数计，所述微波吸收组分为45%-60%，催化裂解组分为15%-30%，抗烧结组分为20.0%-25.0%，抗氧化抗积碳组分为0.1%-0.5%；
其中，微波吸收组分为纳米SiC，催化裂解组分为Ni，抗烧结组分为Mg，抗氧化抗积碳组分为La；
所述的用于焦油微波催化裂解的抗烧结催化剂的制备方法，包括以下步骤：
S100、向尿素、硝酸镁、硝酸镍和硝酸镧的混合物中加入去离子水并搅拌均匀，将混合物转移至反应釜中反应得到物料A；
S200、超声分散物料A并再次将其搅拌均匀后均匀喷涂在纳米碳化硅上得到物料B；
S300、干燥物料B并热处理得到最终产物；
反应温度为150-200℃，反应时间为12-14h；
步骤S300中热处理为煅烧；
所述煅烧的温度为600-800℃，煅烧时间为3-5h。
2.如权利要求1所述的抗烧结催化剂，步骤S100中尿素质量为400-600g，硝酸镁质量为800-1200g，硝酸镍质量为80-120g，硝酸镧质量为6-10g，搅拌时间为30-60min。
3.如权利要求1所述的抗烧结催化剂，步骤S200中超声频率在20kHz以上，超声时间为10min以上。
4.如权利要求2所述的抗烧结催化剂，步骤S200中纳米碳化硅的质量在800-1200g，比表面积在30m2/g以上。
5.如权利要求1所述的抗烧结催化剂，步骤S300中干燥设置在温度90-110℃，干燥时间为3h以上。
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