金属负载介孔碳-ZSM-5分子筛壳核催化剂及其制备和应用方法技术

本发明专利技术涉及一种金属负载介孔碳

【技术实现步骤摘要】
金属负载介孔碳
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ZSM
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5分子筛壳核催化剂及其制备和应用方法


[0001]本专利技术涉及生物质催化
，尤其是一种金属负载介孔碳
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ZSM
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5分子筛壳核催化剂及其制备和应用方法。

技术介绍

[0002]生物质能作为一种可再生能源，通过热化学方法将其转化为可利用的生物油、合成气已经得到广泛研究，生物质转化技术分三大类：直接燃烧、生物转化和物理化学转化，其中微波场生物质催化热解技术属于物理化学转化技术，具有整体加热、条件温和、绿色节能、便于控制、清洁卫生无污染等优点。其将生物质转化为生物油表现出了良好的效果。但是生物质原料和大部分催化剂材料的吸波升温性能并不优越，不利于制取高品质生物油，限制了其直接作为化石燃料的替代品或者与化石燃料掺混使用的可能性。
[0003]ZSM
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5分子筛催化剂在结构上具有直孔道(0.53nm
×
0.56nm)与弦形孔道(0.51nm
×
0.55nm)双向交叉的纳米微孔，生物质初级热解蒸汽中的含氧化合物在这些孔道内通过脱水、脱羰基以及脱羧基等反应完成催化脱氧，生成烃类，而O则以H2O、CO、CO2的形式脱除。虽然其在生物质热解过程中能够起一定的催化作用，但研究表明，ZSM
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5分子筛催化剂的转化率较低，随着时间的推移，催化表面会因大分子物质结焦而失去活性。
[0004]基于以上背景，现今的生物质热解催化剂及微波热解技术中存在着以下问题和挑战：
[0005](1)生物质原料和大部分催化剂材料的介电性能差，tanδ数值低，吸波升温性能不优越，无法在微波场的微波辐射下迅速加热升温，消耗能源的同时也影响着高品质生物质油的制取。
[0006](2)生物质微波催化快速热解得到的生物油虽然质量上有了很大的提高，但是由于催化剂断键裂解能力较单一，催化速度较慢等问题，生物质油的质量无法保证，产率较低，难以有效利用。
[0007](3)生物质初级热解蒸汽中50％以上的组分是分子量大于500的大分子物质(包括低聚合度纤维素、木质素衍生物、低聚糖、多苯环类、大分子醇醛酮酸类、大分子碎片、反应中间物等)这部分大分子物质无法进入ZSM
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5微孔分子筛孔道被催化转化，造成转化率降低，并且这些大分子物质多为不稳定化合物，会在ZSM
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5微孔分子筛外表面不断缩聚结焦不断生长延展的焦，最终会堵塞分子筛催化剂孔口，限制反应物向催化剂孔道内的扩散，阻碍后续择形催化反应的进行。

技术实现思路

[0008]针对现有技术的缺陷，本专利技术提供一种金属负载介孔碳
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ZSM
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5分子筛壳核催化剂及其制备和应用方法，目的是提高微波场加热下催化剂活性和稳定性及高质量生物油生产能力。
[0009]本专利技术采用的技术方案如下：
[0010]一种金属负载介孔碳
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ZSM
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5分子筛壳核催化剂制备方法，包括以下步骤：
[0011]S1：将大分子金属源、大分子碳源和结构导向剂加入尚未脱除模板剂的ZSM
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5分子筛胶体溶液中，并均匀混合；且所述大分子金属源、大分子碳源和结构导向剂的分子大于所述ZSM
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5分子筛的孔道尺寸；
[0012]S2：利用水热或自组装过程，使所述大分子金属源、大分子碳源和结构导向剂包覆在尚未脱除模板剂的ZSM
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5分子筛胶体外表面；
[0013]S3：烘干和固化，使所述大分子金属源、所述大分子碳源和所述结构导向剂与所述尚未脱除模板剂的ZSM
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5分子筛胶体溶液紧密接触形成固体；
[0014]S4：将S3所得的固体碳化和活化，合成金属负载介孔碳
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ZSM
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5微孔分子筛壳核催化剂。
[0015]其进一步技术方案为：
[0016]所述大分子金属源是Ni或Fe的金属硝酸盐；所述大分子碳源为糠醇，所述结构导向剂为三嵌段共聚物。
[0017]所述S1中，所述的尚未脱除模板剂的ZSM
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5分子筛胶体溶液的Si/Al＝50。
[0018]所述S2中，水热或自组装过程反应温度为100～140℃；所述S3中，烘干和固化过程反应温度为70℃；所述S4中，碳化过程反应温度为900℃。
[0019]所述S4中，活化过程采用的试剂为磷酸，通过磷酸酸洗金属负载介孔碳
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ZSM
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5微孔分子筛壳核催化剂的表面。
[0020]一种金属负载介孔碳
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ZSM
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5分子筛壳核催化剂，利用上述制备方法制得。所述金属负载介孔碳
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ZSM
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5分子筛壳核催化剂的外壳为金属负载介孔碳，内核为ZSM
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5分子筛；所述催化剂的金属负载量为5％，tanδ数值范围为0.69
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0.85。
[0021]一种所述的金属负载介孔碳
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ZSM
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5分子筛壳核催化剂的应用方法，包括以下流程：
[0022]将反应器放入微波室内，使反应器内保持负压的惰性反应环境；
[0023]将生物质和金属负载介孔碳
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ZSM
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5微孔分子筛壳核催化剂的混合物料利用半连续式给料器送入反应器中，微波室开启微波加热，使物料进行催化断键裂解反应，产生热解气；
[0024]产生的热解气经过冷凝，可凝部分凝结为生物质油后收集，不可凝部分通过管路返回至反应器中，作为补充载气继续循环利用。
[0025]其进一步技术方案为：
[0026]所述生物质为玉米秸秆；生物质和催化剂的质量比为2∶1。
[0027]所述催化断键裂解反应的反应温度为550℃，反应时间为40min。
[0028]本专利技术的有益效果如下：
[0029]本专利技术采用水热合成法和软模板法制备金属负载介孔碳
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ZSM
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5微孔分子筛壳核催化剂，将其应用于微波室中催化提质。一方面，通过对催化剂的结构调整，提高了催化剂的活性和稳定性，实现了高品质生物油的制取。另一方面，通过微波加热，实现了条件温和、清洁卫生等优点的加热方式。具体优点如下：
[0030](1)所制备的催化剂外壳为具有优良大分子断键能力的金属负载介孔碳，内核为
ZSM
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5分子筛，总体为三维有序介孔
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微孔复合结构。金属负载介孔壳层凭借其优良的断键裂解能力将大分子破碎为小分子，减少催化剂表面的结焦量；ZSM
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5微孔分子筛能够进行高效地择形脱氧，从而制备富烃生物油。
[0031](2)催化剂的外壳层呈高介电性，是优质的微波吸收剂，其受微本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属负载介孔碳
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ZSM
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5分子筛壳核催化剂制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将大分子金属源、大分子碳源和结构导向剂加入尚未脱除模板剂的ZSM
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5分子筛胶体溶液中，并均匀混合；且所述大分子金属源、大分子碳源和结构导向剂的分子大于所述ZSM
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5分子筛的孔道尺寸；S2：利用水热或自组装过程，使所述大分子金属源、大分子碳源和结构导向剂包覆在尚未脱除模板剂的ZSM
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5分子筛胶体外表面；S3：烘干和固化，使所述大分子金属源、所述大分子碳源和所述结构导向剂与所述尚未脱除模板剂的ZSM
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5分子筛胶体溶液紧密接触形成固体；S4：将S3所得的固体碳化和活化，合成金属负载介孔碳
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ZSM
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5微孔分子筛壳核催化剂。2.根据权利要求1所述的金属负载介孔碳
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ZSM
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5分子筛壳核催化剂制备方法，其特征在于，所述大分子金属源是Ni或Fe的金属硝酸盐；所述大分子碳源为糠醇，所述结构导向剂为三嵌段共聚物。3.根据权利要求1所述的金属负载介孔碳
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ZSM
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5分子筛壳核催化剂制备方法，其特征在于，所述S1中，所述的尚未脱除模板剂的ZSM
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5分子筛胶体溶液的Si/Al＝50。4.根据权利要求1所述的金属负载介孔碳
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ZSM
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5分子筛壳核催化剂制备方法，其特征在于，所述S2中，水热或自组装过程反应温度为100～140℃；所述S3中，烘干和固化过程反应温度为70℃；所述S4中，碳化过程反应温度为900℃。5.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张波，王佳鹏，吴石亮，刘辰昊，费云举，张会岩，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：