炭基催化剂表面CH4/C2H5OH微波裂解制氢的研究
随着世界能源危机和环境污染的日益加剧。寻求洁净、无污染的新能源已经成为当今世界的主题。氢气作为一种清洁、高效的燃料日益受到人们的关注。甲烷催化裂解和乙醇催化裂解技术是两种有效的制氢途径。此外，乙醇催化裂解过程中，催化剂表面可能会伴随有大量碳纳米管的生长，大大提高了裂解产物的经济价值。 本文首先以活性炭和污泥残渣作催化剂，采用微波为热源，考察了两种催化剂催化甲烷裂解时，不同反应条件对甲烷裂解反应的影响，并着重考察了微波诱导气体放电对甲烷转化率的影响，对可能影响气体放电的反应条件进行对比分析。同时利用FTIR、XRD、SEM-EDS和比表面仪等技术手段对甲烷裂解前后活性炭和污泥热解残炭的性质进行表征，研究了两种催化剂催化甲烷裂解时活性降低的原因。 其次本文分别考察了污泥残渣和活性炭催化乙醇裂解时，不同微波功率和空速对H2浓度的影响；并通过SEM表征，研究了不同反应条件对碳纳米管生长的影响。 最后研究了乙醇对两种催化剂催化甲烷裂解时活性的影响，并通过设计对比实验，研究了乙醇能够改善催化剂活性的原因。 总结本文的研究工作，主要的结论和成果归纳如下： （1）活性炭在不同气氛条件下表现出不同的温度特性。当微波功率为560W时，活性炭在氮气中的温度为735℃，稍高于 H2，而在 CH4中的稳定温度约为625℃。其原因可能是，N2和H2在微波诱导下更加容易被电离，内部产生等离子体的数量多于 CH4气氛，导致前两者床层温度较高。甲烷转化率随甲烷分压的减小而增大，并在60％浓度下达到最大值，之后随甲烷分压的减小而减小；而电加热条件下，甲烷转化率随甲烷分压的减小而减小。分析种现象与气体放电中的潘宁效应有关,在甲烷浓度为60%，混合气体的击穿电压急剧降低，产生大量放电等离子体，从而提高反应温度，促进了甲烷裂解反应的正向进行。铁粉的掺入有利于促进放电等离子体的形成，提高了活性炭反应温度，从而增大甲烷的转化率。FTIR结果表明，活性炭表面含氧官能团可能是甲烷裂解活性中心。反应前后活性炭电镜扫描分析及物性参数的比较表明，甲烷裂解后产生的大量积碳覆盖在活性炭表面，导致比表面积和微孔容减小，平均孔径增大，说明活性炭活性降低的原因主要是由于积碳堵塞微孔导致甲烷分子无法与活性中心接触所导致。 （2）泥残渣对甲烷裂解反应具有良好的催化活性；增加微波功率能够有效提高甲烷转化率；污泥残渣在不同气氛条件下表现出不同的温度特性，其在N2和H2氛围内的温度明显高于CH4，表明气氛条件是影响甲烷裂解的因素之一。研究表明，甲烷转化率随粒径的减小而增大，通过分析可能有两方面的原因：一是减小粒径可以降低甲烷分子的扩散阻力，另一方面是小的粒径更加有利于气体放电等离子体的生成，提高了反应温度所致。研究还表明，进口甲烷浓度越高，甲烷的转化率越大。FTIR结果表明，污泥残渣表面含氧官能团并不是其活性中心的所在。反应前后污泥残渣电镜扫描分析及物性参数的比较表明，甲烷裂解后产生的大量积碳覆盖在污泥残渣表面，导致比表面积降低，平均孔径增大，表明污泥残渣活性降低的原因可能与积碳覆盖表面，导致甲烷分子无法与活性中心接触所致。 （3）污泥残渣催化乙醇裂解时，H2浓度随微波功率的升高而升高，空速对H2浓度并无明显；活性炭催化乙醇裂解时，增大微波输出功率和空速都能有效提高H2浓度。污泥残渣仅在反应条件为微波功率320W，空速0.5时，表面伴有大量碳纳米管的生成；分析主要有三个方面的原因：（1）在过低的功率时，由于反应温度较低，乙醇裂解不充分，导致碳源不足；（2）过高的功率可能会导致乙醇裂解过快，生成的碳原子过多而来不急扩散，从而生成大量积碳；（3）空速的过大或过小都可能影响到乙醇裂解速率与碳原子容散速率之间的平衡，从而影响碳原子的生长。而活性炭在所选反应条件下，活性炭表面并没有发现碳纳米管的生成。 （4）乙醇的引入可以减缓甲烷裂解时活性炭和污泥残渣催化剂的失活速率，同时，对催化剂活性的再生起到良好的效果。分析原因是，乙醇裂解后的积碳具有良好的催化甲烷裂解活性，积碳覆盖于失活的催化剂表面所致。
炭基催化剂;甲烷;乙醇;微波裂解;制氢工艺
东华大学
硕士
热能工程
苏亚欣;邓文义
2014
中文
TQ116.2
95
2015-07-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）