CN109569612B - 一种以活性半焦为载体的纳米二元金属基焦油催化裂解催化剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种以活性半焦为载体的纳米二元金属基焦油催化裂解催化剂及其制备方法,属于金属催化剂的技术领域。本发明要有效的提高镍基活性和抗失活能力。本发明方法:一、将将镍盐和铁盐,或者镍盐和镁盐制备成纳米混合金属粉体;二、半焦用盐酸溶液浸泡清洗,去离子水洗至pH值中性,然后干燥;三、将步骤一获得的混合粉体与步骤二处理后的半焦加入去离子水中,搅拌均匀;四、然后干燥,在载气保护下,烘焙处理,载气保护下降温至室温;得到负载型纳米二元金属半焦催化剂。本发明与现有技术比,纳米金属粒子更易负载在载体内部,增加了活性位点,减少了孔道堵塞,催化裂解性能好,焦油转化率高,可达到90%以上,工艺简单,易于控制。

Description

一种以活性半焦为载体的纳米二元金属基焦油催化裂解催化 剂及其制备方法
技术领域
本发明属于金属催化剂的技术领域;具体涉及一种以活性半焦为载体的纳米二元金属基焦油催化裂解催化剂及其制备方法。
背景技术
生物质能储量大、分布广、CO2零排放是可再生能源中唯一能够储存和运输的清洁能源。生物质热解气化可将蕴藏于生物质内的化学能高效转化为燃料气体,继而热电联产发电(DHP),被认为是解决当前国际能源危机与环境问题的有效途径。
然而,生物质热解气化过程同时产生焦油、固体颗粒及氮硫化物等杂质,其中焦油含量占杂质总量80%以上。焦油易与水、飞灰等结合形成腐蚀性的粘稠液体,长期积累堵塞管道对燃气利用设备损害严重。此外,焦油中富含多环芳烃(PAH)、酚及酚类化合物等有机物,具有致癌性和强刺激性气味,排放大气造成严重二次污染,危害人体健康,因此生物质热解气化技术发展的关键问题。
在焦油的处理方法中,催化裂解技术可以将焦油转化为小分子化合物,在脱除焦油的同时还能增加可利用小分子气体组分。催化裂解技术也被认为是具有良好发展前景的焦油处理方法。
镍基催化剂具有显著的焦油催化裂解效率,但其主要问题是镍在催化裂解过程中易失活。研究表明,镍失活本质是金属表面催化位点的急剧减少,源于积碳覆盖和镍晶粒烧结。
在传统镍金属结构中掺杂Fe、Mg等助催化金属构建二元金属催化剂,促进了镍与助金属之间的相互作用(形成金属合金),不仅有效提高了焦油的催化裂解效率,而且对镍表面积碳和晶粒烧结也有一定的抑制作用,增强了镍金属的抗失活能力。
生物半焦内部丰富的微/介孔孔隙结构和巨大的比表面积,使其具备作为载体的基本条件;半焦表面富含碱金属无机盐且活性较高,本身具有一定的焦油催化裂解能力(催化位点);半焦属于生物质热解气化过程的副产物,相较于Al2O3和白云石更为廉价易得。因此,生物质半焦具有作为镍基催化剂载体的良好潜力。综上,半焦负载二元金属催化剂在焦油催化裂解重整领域具有重要的应用前景。
胡沔,(胡沔,华中科技大学博士论文,2015.)利用传统的浸渍法制备了半焦负载Fe-Ni催化剂用于生物质催化热解的研究。但制备的过程繁琐,制备出的金属颗粒尺寸大,活性不足,造成有效催化面积小。
CN 107715884A公开了一种新型的金属负载型生物质半焦催化剂的方法。以金属活性组分可溶盐的水溶液等体积浸渍生物质前驱体,干燥后加热至600-700℃进行热解,以得到金属负载型生物质半焦催化剂。该方法不同于常规的“先制焦法”,可以被称为是“先浸渍法”。这种方法制备出的金属粒子大多存在于载体表面,不能充分利用载体的孔隙结构。
这些催化剂的制备方法制备出的金属粒子多为微米级别,远大于半焦的平均孔径,不能有效的利用载体的孔隙结构,会堵塞载体的孔道,大多的金属粒子都负载在载体的表面,焦油模拟物甲苯的转化率为80%左右。
发明内容
本发明的目的在于对传统的浸渍法制备半焦负载金属催化剂进行改进,提前制备出纳米颗粒金属粉体再进行浸渍,并采用Ni-Fe,Ni-Mg纳米二元金属,有效的提高镍基活性和抗失活能力。
本发明中一种以活性半焦为载体的纳米二元金属基焦油催化裂解催化剂是以镍盐,铁盐(或者镁盐),和半焦为原料制成的,具体是先将镍盐,与铁盐(或者镁盐)制备成纳米混合金属粉体,与酸洗处理后的半焦一起用去离子水混匀,干燥后烘焙而成的;其中,原料中镍盐、铁盐与半焦的质量比为(1.58~3.15):(2.3~4.6):10;原料中镍盐、镁盐与半焦的质量比为(1.58~3.15):(1.41~3.5):10;具体的制备方法是通过下述步骤完成的:
步骤一、将镍盐和铁盐,或者镍盐和镁盐作为前驱体,采用高分子凝胶法制备成纳米混合金属粉体;
步骤二、半焦用盐酸溶液浸泡清洗,去离子水洗至pH值中性,然后干燥;
步骤三、将步骤一获得的混合粉体与步骤二处理后的半焦加入去离子水中,搅拌均匀;
步骤四、然后干燥,在载气保护下,烘焙处理,载气保护下降温至室温;即完成。
进一步地限定,上述镍盐为硝酸镍,上述铁盐为硝酸铁,上述镁盐为硝酸镁
进一步地限定,步骤一中煅烧温度为400℃-500℃,时间为30min。
进一步地限定,上述半焦是由松木屑、秸秆、稻壳以及污泥生物质热解而成的半焦中的一种或其中几种任意比的混合。
进一步地限定,上述半焦粒径为40-60目。
进一步地限定,步骤二中100℃-110℃下干燥24h。
进一步地限定,步骤四中的载气为体积纯度99.9%以上的氮气或者氩气。
进一步地限定,步骤四中100℃-110℃下干燥24h。
进一步地限定,步骤四中烘焙温度为400℃-600℃,焙烧时间为0.5h-2h。
本发明中的金属粒子尺寸更小,为纳米级别,粒径可达到4-5nm。
本发明中纳米金属粒子更易负载在载体内部,增加了活性位点,减少了孔道堵塞;纳米金属粒子不仅存在于载体表面,同时也存在于载体的内部孔隙结构,减少了孔道堵塞。
本发明中有效的提高了镍基的催化活性和抗失活能力。
本发明方法获得催化剂对于焦油的催化裂解性能提高,焦油的转化率提高,可达到90%以上,催化重整后更多的转化为小分子含C化合物,有效可利用气体组分提高。
本发明的条件可控,便于应用。
附图说明
图1为催化剂的物理表征结果与性能评价图。
具体实施方式
实施例1:本实施例中以活性半焦为载体的纳米二元金属基焦油催化裂解催化剂是通过下述步骤完成的:
步骤一、将3.15g硝酸镍,4.6g硝酸铁加入到100mL去离子水的烧杯中,经电磁搅拌和超声分散各后形成均匀、稳定的溶液,在搅拌下将5g丙烯酰胺和1gN,N-亚甲基双丙烯酞胺加入烧杯中,配置好的溶液放入恒温水浴锅中,加入0.05g过硫酸按,制得均匀、稳定的凝胶。凝胶在真空干燥箱90℃下干燥得到干凝胶,将干凝胶置于管式炉的方舟中,在氮气的保护下以5℃/min的升温速度加热至400℃进行煅烧,恒温30min,煅烧完毕后得到混合粉体;
步骤二、10g半焦用1mol/L的盐酸溶液浸泡清洗,去离子水洗至pH值中性,然后置于干燥箱中,在100℃下干燥24h;
步骤三、将步骤一获得的混合粉体与步骤二处理后的半焦加入100mL去离子水中,搅拌均匀;
步骤四、然后置于干燥箱中,在100℃下干燥24h,在体积纯度为99.98%的氮气保护下,400℃下烘焙处理1h,载气保护下降温至室温;即完成。
对比例1:将硝酸镍3.15g,硝酸铁4.6g与10g半焦混合成溶液,搅拌均匀。将溶液置于干燥箱中,100℃干燥24h。将干燥好的载体在氮气保护下400℃下进一步进行烘焙,时间在1h。
实施例2:本实施例中以活性半焦为载体的纳米二元金属基焦油催化裂解催化剂是通过下述步骤完成的:
步骤一、将3.15g硝酸镍,2.81g硝酸镁加入到100mL去离子水的烧杯中,经电磁搅拌和超声分散各后形成均匀、稳定的溶液,在搅拌下将5g丙烯酰胺和1gN,N-亚甲基双丙烯酞胺加入烧杯中,配置好的溶液放入恒温水浴锅中,加入0.05g过硫酸按,制得均匀、稳定的凝胶。凝胶在真空干燥箱90℃下干燥得到干凝胶,将干凝胶置于管式炉的方舟中,在氮气的保护下以5℃/min的升温速度加热至400℃进行煅烧,恒温30min,煅烧完毕后得到混合粉体;
步骤二、10g半焦用1mol/L的盐酸溶液浸泡清洗,去离子水洗至pH值中性,然后置于干燥箱中,在100℃下干燥24h;
步骤三、将步骤一获得的混合粉体与步骤二处理后的半焦加入100mL去离子水中,搅拌均匀;
步骤四、然后置于干燥箱中,在100℃下干燥24h,在体积纯度为99.98%的氮气保护下,400℃下烘焙处理1h,载气保护下降温至室温;即完成。
对比例2:将硝酸镍3.5g,硝酸镁2.81g与10g半焦混合成溶液,搅拌均匀。将溶液置于干燥箱中,100℃干燥24h。将干燥好的载体在氮气保护下400℃下进一步进行烘焙,时间在1h。
实施例3:本实施例中以活性半焦为载体的纳米二元金属基焦油催化裂解催化剂是通过下述步骤完成的:
步骤一、将1.58g硝酸镍,2.3g硝酸铁加入到100mL去离子水的烧杯中,经电磁搅拌和超声分散各后形成均匀、稳定的溶液,在搅拌下将5g丙烯酰胺和1gN,N-亚甲基双丙烯酞胺加入烧杯中,配置好的溶液放入恒温水浴锅中,加入0.05g过硫酸按,制得均匀、稳定的凝胶。凝胶在真空干燥箱90℃下干燥得到干凝胶,将干凝胶置于管式炉的方舟中,在氮气的保护下以8℃/min的升温速度加热至500℃进行煅烧,恒温30min,煅烧完毕后得到混合粉体;
步骤二、10g半焦用1mol/L的盐酸溶液浸泡清洗,去离子水洗至pH值中性,然后置于干燥箱中,在110℃下干燥24h;
步骤三、将步骤一获得的混合粉体与步骤二处理后的半焦加入100mL去离子水中,搅拌均匀;
步骤四、然后置于干燥箱中,在110℃下干燥24h,在体积纯度为99.98%的氮气保护下,500℃下烘焙处理2h,载气保护下降温至室温;即完成。
对比例3:将硝酸镍1.58g,硝酸铁2.3g与10g半焦混合成溶液,搅拌均匀。将溶液置于干燥箱中,110℃干燥24h。将干燥好的载体在氮气保护下500℃下进一步进行烘焙,时间在2h。
实施例4:本实施例中以活性半焦为载体的纳米二元金属基焦油催化裂解催化剂是通过下述步骤完成的:
步骤一、将1.58g硝酸镍,1.41g硝酸镁加入到100mL去离子水的烧杯中,经电磁搅拌和超声分散各后形成均匀、稳定的溶液,在搅拌下将5g丙烯酰胺和1gN,N-亚甲基双丙烯酞胺加入烧杯中,配置好的溶液放入恒温水浴锅中,加入0.05g过硫酸按,制得均匀、稳定的凝胶。凝胶在真空干燥箱90℃下干燥得到干凝胶,将干凝胶置于管式炉的方舟中,在氮气的保护下以8℃/min的升温速度加热至500℃进行煅烧,恒温30min,煅烧完毕后得到混合粉体;
步骤二、10g半焦用1mol/L的盐酸溶液浸泡清洗,去离子水洗至pH值中性,然后置于干燥箱中,在110℃下干燥24h;
步骤三、将步骤一获得的混合粉体与步骤二处理后的半焦加入100mL去离子水中,搅拌均匀;
步骤四、然后置于干燥箱中,在110℃下干燥24h,在体积纯度为99.98%的氮气保护下,500℃下烘焙处理2h,载气保护下降温至室温;即完成。
对比例4:将硝酸镍1.58g,硝酸镁1.41g与10g半焦混合成溶液,搅拌均匀。将溶液置于干燥箱中,110℃干燥24h。将干燥好的载体在氮气保护下500℃下进一步进行烘焙,时间在2h。
实施例1-4,及对比例1-4催化制备甲苯,结果见图1,由图1可知,采用本发明方法制备出金属粉体再进行浸渍法制备得到的催化剂,纳米粒子的尺寸变小,金属粒子分散度更高,减少了团聚及孔道的堵塞,甲苯的转化率得到明显的提高。

Claims (3)

1.一种以活性半焦为载体的纳米二元金属基焦油催化裂解催化剂的制备方法,其特征在于所述制备方法是通过下述步骤完成的:
步骤一、将硝酸镍和硝酸镁作为前驱体采用高分子凝胶法制备成粒径为4-5nm的纳米混合金属粉体;
所述的步骤一中煅烧温度为400℃-500℃,时间为30min;步骤二、半焦用盐酸溶液浸泡清洗,去离子水洗至pH值中性,然后干燥;
所述的步骤二中100℃-110℃下干燥24h;
步骤三、将步骤一获得的纳米混合金属粉体与步骤二处理后的半焦加入去离子水中,搅拌均匀;
步骤四、然后干燥,在载气保护下,烘焙处理,载气保护下降温至室温;即完成;
所述的步骤四中100℃-110℃下干燥24h,步骤四中的载气为体积纯度99.9%以上的氮气或者氩气;所述的步骤四中烘焙温度为400℃-600℃,烘焙时间为0.5h-2h;
所述硝酸镍、硝酸镁与半焦的质量比为(1.58~3.15):(1.41~3.5):10。
2.根据权利要求1所述制备方法,其特征在于步骤二中半焦是由松木屑、秸秆、稻壳以及污泥生物质热解而成的半焦中的一种或其中几种的混合。
3.根据权利要求1所述制备方法,其特征在于步骤二中半焦粒径为40-60目。
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