镍基催化剂对茶渣真空催化热解制氢性能研究
作者单位：贵州师范大学
学位级别：硕士
导师姓名：蔡雄飞;李森
授予年度：2024年
学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术]
摘 要：生物质能作为可持续发展战略中的关键能源形式,近年来吸引了广泛的研究和关注。在生物质能源的开发中,生物质热解制氢技术以其独特的产氢潜能,被视为一种绿色且可持续的能源转化方式。鉴于我国茶叶产量巨大,茶叶加工过程中产生的茶渣生物质废料具有巨大的再利用潜力。因此,本课题旨在探索生物质产气应用及固体资源化利用,重点研究了茶渣生物质的热解产氢性能。研究中,我们利用自行设计的真空热解系统,并结合镍基催化剂,深入探讨了茶渣生物质热解过程中的产物特性。首先,我们对茶渣生物质的理化性质和热重特性进行了系统分析,为后续的热解实验提供了理论基础。接着,我们制备了以生石灰干燥剂为载体的Ni-DC催化剂,并对其进行了表征分析。在热解实验中,我们重点考察了热解温度、催化剂投加比和保温时间等因素对茶渣生物质原位催化和非原位催化热解产物的影响。通过系统的实验设计和数据分析,我们利用响应法优化了真空原位催化热解下的最佳产氢工艺参数,为茶渣生物质的能源化利用提供了科学依据。此外,我们还对非原位催化热解产生的生物炭进行了Cd2+吸附性能的研究,旨在进一步拓展生物炭在环境保护领域的应用。主要的结果如下: （1）茶渣生物质主要由C、H、O等元素组成,其S含量相对较低,这使得茶渣生物质成为一种理想的热解资源化生物质废料。其高挥发分物质的特性更是增加了其作为热解原料的潜力。在热重分析中,我们发现茶渣生物质的有机成分在约500℃时基本完成分解,因此,我们将500℃及以上的温度范围作为热解实验的重要温度参数。为了深入研究热解过程,我们制备了Ni-DC催化剂,并通过XRF、XRD、SEM-EDS及BET等多种表征手段对其进行了详细分析。结果表明,Ni成分成功负载在DC载体表面,形成了主要由Ca O和NiO组成的Ni-DC催化剂,其中还包含少量的Mg O等组分。扫描电镜观察显示,NiO在DC载体上的分布相对均匀,这有助于催化剂活性的提升。此外,BET分析结果表明,NiO负载后,催化剂的结构得到了加强,其比表面积从2.58 m2·g-1增加至3.6 m2·g-1,孔容也得到了相应的增加。 （2）在封闭的热解环境中,实验发现茶渣生物质在初始压力值为5 k Pa的条件下表现出良好的产气效果。因此,我们选定5 k Pa作为真空催化热解的初始压力参数,以确保热解过程的高效进行。在探究不同热解影响因素时,我们发现随着热解温度的升高,热解反应逐渐加剧,气态产品的产量也相应提高。特别是在800℃时,H2和合成气的体积产率达到最高值,显示出高温对热解过程中气体生成的促进作用。此外,研究还发现自制的Ni-DC催化剂具有显著的焦油转化能力。当催化剂投加量增加至125%时,H2的产率从100.25 m L/g大幅提升至265.65 m L/g,CO产率也从70.12 m L/g提升至135.98 m L/g,合成气的产量几乎翻了一番。相比之下,保温时间对茶渣生物质原位催化热解产物的影响较小,各产物及气体组分的变化相对于热解温度的影响而言并不显著。为了进一步优化真空原位催化热解的产氢工艺参数,我们采用了响应法进行分析。模拟得到的最佳参数为:热解温度835.89℃、催化剂投加占比110.02%、保温时间2.35 h。在此条件下,预测的产氢率为269.01 m L/g。经过实验验证,我们发现预测值与实际值非常接近,这证明了响应法在优化产氢工艺参数方面的有效性。 （3）在茶渣的真空非原位催化热解过程中,实验结果表明,当热解温度达到900℃时,H2和CO的体积产率均达到最高,分别为150.97 m L/g和101.45 m L/g。此外,随着催化剂投加量的增加,H2和CO的体积产率也呈现出上升趋势。当催化剂投加比达到150%时,H2和CO的产量达到最高,分别为156.33 m L/g和96.22 m L/g。值得注意的是,尽管催化剂在循环使用6次后仍然具有一定的催化作用。在探究保温时间对热解产物的影响时,我们发现合成气的产量随着保温时间的延长而逐渐升高。特别地,当保温时间为2 h时,H2和CO的体积产率达到最高分别为156.33 m L/g和96.22 m L/g,与投加比为150%时的结果相一致。对茶渣基生物炭产品进行表征分析后发现,该产品含有丰富的-OH及-CH2-等多个基团。随着热解温度的升高,生物炭的孔隙逐渐增多,孔结构变得更加密集,比表面积和孔容也不断增加。其中,在800℃下热解得到的生物炭（记为C-800）的比表面积和孔容体积最高,分别为189.58 m2/g和0.09 cm3/g。在Cd2+的吸附实验中,C-800表现出最大的吸附容量和最佳的去除率。综合考虑其产气性能和生物炭品质,我们认为在非原位催化的热解过程中,800℃是较为适宜的热解温度,同时催化剂投加比应为150%,保温时间设为2小时。本
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