化工综合实验设计探究——以胆碱类低共熔溶剂预处理杨木制备生物质基碳纳米管为例

针对辽宁科技大学化学工程与工艺专业实验部分教学内容更新不及时,无法与目前专业前沿知识和先进分析表征技术同步的现状,设计开发了生物质基碳纳米管的制备、结构表征及性能研究的综合设计性实验项目。通过文献查阅、实验方案设计、样品制备和检测、数据分析等教学环节,培养学生运用专业理论知识和基础实验技能来解决煤化工和化工相关领域中实际问题的能力。全面提升学生的动手能力、思辨能力和综合问题分析能力,从而满足工程教育专业认证背景下对于人才培养的要求。

水葫芦微波热解特性的实验研究

水葫芦具有较高氢碳比,微波热解是其转化为清洁能源和高附加值化学品的有效方法。本文对水葫芦微波催化热解的特性进行较为系统的研究。实验结果表明:热解温度对生物油和热解气的总产率具有显著影响。随着温度的升高,生物油和热解气的产率增加,在600℃时达到最大。水葫芦的微波热解产物焦油中主要包含大量单环芳香族化合物和醇类化合物等,轻气体主要是氢气和一氧化碳。升温速率对水葫芦微波热解产物的产率和组分具有影响,随着升温速率的提高,半焦的产率增加,生物油的产率降低。较快的升温速率也有利于直链烃和一氧化碳的生成。

半焦负载铁基脱硫剂及其焦炉煤气脱硫特性

对超声波辅助浸渍法制备褐煤半焦为载体的Fe及Fe-Cu脱硫剂可行性进行了研究,考察了脱硫剂最佳制备工艺和硫化温度对脱硫剂硫化性能的影响.通过X射线衍射仪(XRD)及带有能谱分析的电子扫描显微镜(SEM-EDS)分析硫化前后脱硫剂的晶体结构和表面形貌的变化,利用傅立叶红外仪(FTIR)分析表征脱硫前后的脱硫剂官能团变化.结果表明,当超声清洗器功率为100 W时,制取脱硫剂的最佳条件是超声浸渍时间为5h,共沉淀时间为3h,超声波水浴温度为60℃.活性半焦负载的脱硫剂能够有效脱除焦炉煤气中的H2S和COS.随着硫化温度的升高,穿透时间和硫容均增加,在脱硫温度为400℃时具有最大的穿透硫容和穿透时间,且Cu元素的加入使半焦负载的铁基脱硫剂脱硫效果明显增强.

络合亚铁乙二醇-四丁基溴化铵低共熔溶剂协同吸收SO2和NO

低共熔溶剂广泛应用于很多领域,尤其在气体净化领域有很好的应用前景。为探究吸收容量大、再生能力较强的低共熔溶剂协同吸收烟气中SO2和NO的性能,采用氯化亚铁(FeCl2)、乙二醇(EG)与四丁基溴化铵(TBAB)制备络合亚铁乙二醇-四丁基溴化铵低共熔溶剂[Fe(Ⅱ)EG-TBAB DESs],重点考察了温度、停留时间、氧气分压和FeCl2浓度等因素对低共熔溶剂脱除烟气中SO2和NO性能的影响。结果表明:在温度为50℃、氧气分压为5%、FeCl2浓度为0.1mol/L的条件下,Fe(Ⅱ)EG-TBAB DESs能够协同高效吸收烟气中的SO2和NO。烟气中H2O和O2存在的条件下,SO2气体能够形成HSO-3和HSO-4,进一步促进Fe(Ⅱ)EG-TBAB低共熔溶剂吸收烟气中NO气体,生成Fe(Ⅱ)EG-TBAB(NO)。低共熔溶剂经6次吸收-脱附再生循环后其脱硫脱硝能力变化不大,仍保持较好的脱硫脱硝稳定性。

生物质和褐煤共气化半焦吸附烟气SO_2的研究

以生物质和褐煤共气化半焦为研究对象,向生物质与褐煤混合热解获得的半焦中植入Fe(NO_3)_3后进行共气化,制备了活性半焦脱硫剂,利用固定床实验装置对脱硫剂的脱硫性能进行考察,并通过BET和XRD等检测手段对脱硫前后样品的比表面积和晶体结构进行表征.结果表明,负载Fe_3O_4的生物质与褐煤共气化半焦具有良好的脱硫活性;植入10%Fe的脱硫剂在O_2和H_2O存在的条件下,脱硫效率最高,硫容最大,达到764.1mg/g;在脱硫剂吸附SO_2的过程中,O_2首先化学吸附在活性半焦表面的C活性位点,形成C(O)络合物,作为SO_2被氧化的活性位点,金属氧化物促进了半焦表面对O_2的化学吸附,形成更多的活性位点,并将SO_2氧化为SO_3,在水蒸气存在的条件下生成硫酸储存在半焦的微孔中,并有少量的金属硫酸盐(Fe_2(SO_4)_3)生成.

催化重整微藻微波热解挥发分制芳烃和富氢合成气

文章以螺旋藻为原料,在两段式微波试验台架中研究了活性炭对螺旋藻热解挥发分的催化重整效果,同时比较了活性炭催化重整和热裂解对产物分布的影响。研究结果表明:挥发分经活性炭催化重整和热裂解作用后,气体产物产率升高,生物油产率降低;与热裂解过程相比,活性炭催化重整不仅表现出更高的促进生物油向气体转化的特性,而且显著提升了油气品质,对芳烃化合物(尤其是轻质芳烃)和富氢合成气的生成具有更高的选择性;在活性炭的催化作用下,重整效果随重整温度的升高而增强,当重整温度为700℃时,芳烃类化合物在生物油中的含量和富氢合成气在气体产物中的含量分别能达到76.2%和88.02.%(H含量为63.16%);利用活性炭催化重整螺旋藻热解挥发分可实现芳烃和富氢合成气的共同制备。

硅酸钠模数对SiO_(2)气凝胶结构和表面改性机制的影响

以粉煤灰为原料制备五种不同浓度的硅酸钠溶液,采用溶胶-凝胶法对硅酸钠溶液进行处理,在常压干燥条件下获得了疏水性SiO_(2)气凝胶。通过测试气凝胶的密度、比表面积和接触角,研究了硅酸钠溶液模数m对气凝胶结构的影响,阐述了气凝胶表面疏水改性的亲核取代S_(N)1化学反应机制。研究结果表明,气凝胶的疏水性能与其表面连接的硅甲基—Si—(CH_(3))_(3)数目有直接关系,当硅酸钠模数m=2.50时,气凝胶的疏水性能最佳。气凝胶的密度和比表面积均随硅酸钠模数的增大而增大,当硅酸钠模数m=0.75时,气凝胶的密度和比表面积最小,其值分别为0.0739 g/cm^(3)和588.5 m^(2)/g。

Mo-Ni催化下褐煤热溶物的生成机理

利用Mo-Ni催化剂在不同热溶温度下对印尼褐煤进行热溶解聚,对比分析Mo-Ni对热溶物组分生成和成分分布的影响规律,研究Mo-Ni催化下褐煤热溶物的生成机理。GCM S分析结果表明:起初物理热溶生成少量带有长直链的酯,随着热溶温度的升高,酯类增加的同时更多分子量较小的酯生成,继续升高温度,酯类的相对含量急剧减少,芳烃和酚成为主要组分。Mo-Ni作用下,β断裂和脱氢反应使得长直链的烷酸甲酯生成短链烷酸甲酯、正构烷烃和单不饱和烯烃;其中短链烷酸甲酯发生催化裂化、脱羧、脱羟、加氢和脱氧等一系列反应直接或间接生成正构烷烃。Mo-Ni的低聚活性和酸性进一步将正构烷烃和单不饱和烯烃转变为低碳烯烃,而烯烃聚合生成苯环;苯环发生甲基化、亲核取代,聚合等反应生成芳烃和酚。

热溶解聚技术及其影响因素的研究现状

热溶解聚技术为煤基航空喷气替代燃料的制备提供途径。介绍煤热溶解聚技术的发展历程,深入分析热溶解聚过程中煤种、煤样预处理、热溶解聚方式、热溶温度和热溶溶剂等主要因素的影响。低阶煤分子结构键能较低,可在较温和条件下断裂。预处理改变煤中氢键的分布,提高煤本身的加氢液化活性。间歇式热溶解聚操作简便,固液分离彻底;连续式热溶解聚可避免热溶物与溶剂的二次反应。由于热解和缩聚反应的存在,热溶率随热溶温度的升高先快速升高后缓慢升高甚至略有降低;热溶率极值对应下的热溶温度与煤本身的软化温度有关。极性或非极性溶剂选择性的进攻煤中大分子网络骨架,可促进小分子可溶物的生成。热溶解聚装置的改进、低沸点廉价溶剂下热溶解聚行为研究和热溶物组分的定向解聚等问题有待于进一步地研究。

负载金属催化剂的褐煤活性半焦脱除烟气中NO性能及机理

对负载金属催化剂的褐煤活性半焦脱除烟气中NO的性能进行了研究,并对其反应机理进行了探讨。使用自制的脱硝剂在固定床反应装置上进行了脱硝实验;使用红外光谱仪(FTIR)和X射线衍射仪(XRD)对脱硝剂脱硝前后的表面官能团及金属活性相进行了分析。结果表明,金属铜作为催化剂具有优于其他金属的脱硝性能;在铜基催化剂中添加铁作为助剂的活性半焦具有更优的脱硝性能,其有效脱硝质量可达8.70g(基于100g活性半焦);金属催化剂的低价态活性相具有较高的催化活性,随着脱硝反应的进行,金属活性相被氧化成为活性较低的高价态,最终完全失活;复合金属氧化物铁酸铜能起到活性相"存储"作用,在反应过程中分解成为活性更高的金属活性相,从而提高了脱硝性能。

半焦负载Fe基脱硫剂脱硫及再生性能研究

利用超声波辅助共沉淀法制备了半焦负载Fe基脱硫剂,在固定床反应器中考察了其脱硫及再生特性.采用X射线衍射(XRD)法和傅立叶红外光谱(FTIR)法对硫化前后及再生后样品的晶体结构和表面化学结构变化进行了表征.结果表明,金属Zn和Cu的加入使得Fe基脱硫剂的脱硫性能得到明显改善,其中半焦负载Fe-Zn-Cu脱硫剂具有最佳脱硫及再生性能.利用水蒸气法再生后的脱硫剂脱硫性能稳定,脱硫剂经多次硫化-再生循环后,仍具有良好的脱硫性能.

褐煤半焦水蒸气气化特性及动力学研究

利用热重分析仪研究了植入金属氧化物对褐煤半焦水蒸气气化反应的影响,并对其气化反应机理及动力学特性进行了分析.实验结果表明:水蒸气气化反应温度和负载的过渡金属氧化物是影响半焦水蒸气气化反应的重要因素.随着气化反应温度的升高,反应速率加快;Fe-Zn形成的复合金属氧化物铁酸锌对半焦气化反应具有最强的催化作用,达到最大气化反应速率的时间最短,具有最小的表观反应活化能(166.89kJ/mol).

粉煤灰负载锰基催化剂低温脱硝活性及水硫抗性的实验研究

采用超声波辅助浸渍法,以燃煤电厂粉煤灰为载体,硝酸铁为铁源,硝酸锰和高锰酸钾为不同锰源,分别制备Mn-Fe/FA(N)和Mn-Fe/FA粉煤灰负载锰基脱硝催化剂。利用自制固定床装置评价催化剂的脱硝活性,结合X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS),NH_(3)-程序升温脱附(temperature programmed desorption TPD)和H_(2)-程序升温还原(H_(2)-temperature programmed reduction,TPR)等技术表征催化剂的化学特性,明晰催化剂的脱硝活性和水硫抗性机制。结果表明,Mn-Fe/FA催化剂的低温脱硝活性显著高于Mn-Fe/FA(N)催化剂;Mn-Fe/FA催化剂的脱硝活性温度窗较宽(70~200℃);在200℃,模拟烟气中水蒸气(体积分数5%或10%)对催化剂的脱硝活性没有影响;在含有5%H_(2)O和52mg/m^(3)SO_(2)的模拟烟气中运行4h后,NO_(x)的转化率仍保持在75%。以KMnO_(4)作为锰源可以提高催化剂的表面氧化还原特性、提高活性金属离子(Mn^(4+),Fe^(3+))以及化学吸附氧的含量、抑制硫酸盐在催化剂表面的沉积。

氨气添加对褐煤微波热解行为影响的实验研究

褐煤作为低阶煤其清洁利用已成为煤化工领域研究的热点。微波具有选择性加热、加热速率快等优点。采用微波对褐煤进行热解,可以得到高附加值、高热值的产品,而通过气体添加剂的使用,有可能改变热解产物的分布。因此,本论文以氨气(NH_(3))作为气体添加剂,在微波热解反应装置上进行褐煤热解实验,探究氨气在不同条件下对褐煤微波热解特性的影响及其热解机理。实验结果表明,NH_3能够抑制焦油中脂肪烃与含氧化合物的含量,可以使焦油中芳香烃的含量由6.52%上升至24.53%,使焦油总产率提高2.48%。NH_(3)也可以提高热解气体中CH_(4)、CO的含量,抑制CO_(2)的含量,还可以促进褐煤半焦中气孔的生成。

粉煤灰基NaP分子筛的制备及响应面优化

以电厂粉煤灰为原料制备粉煤灰基NaP分子筛。基于单因素实验,采用Box-Behnken-Design响应面法考察碱灰比、预晶化时间、晶化时间、硅铝比对制备粉煤灰基NaP分子筛相对结晶度的影响效应。结果表明,影响粉煤灰基NaP分子筛因素显著性顺序为碱灰比>硅铝比>晶化时间>预晶化时间,响应面法建立的模型对制备粉煤灰基NaP分子筛的相对结晶度具有良好的预测性。制备单一相粉煤灰基NaP分子筛的最优条件为:碱灰质量比1.5,预晶化时间2 h,晶化时间48 h,硅铝物质的量比5。

飞灰负载Cr-Cu-Mn催化剂的中低温SCR脱硝性能及其机制

选取煤基飞灰作为催化剂载体,分别以Cr_(2)O_(3)和CuO、Mn_(2)O_(3)为主活性组分和助活性组分,采用超声辅助浸渍法制备Cr_(8)Cu_(2)Mn_(x)/FA催化剂并进行SCR脱硝实验。分析了Mn掺杂量对Cr基催化剂脱硝活性和抗水性的影响,通过BET、XRD、TPD、TPR、XPS等手段对催化剂的理化性质进行表征。结果表明:Mn的添加可以拓宽Cr基催化剂的脱硝活性温度窗,促使Cr_(8)Cu_(2)Mn_(x)/FA催化剂在200~350℃温度区间内的脱硝效率达到100%,且具有良好的抗水性;适当添加Mn可以提高催化剂表面酸性、氧化还原能力及表面吸附氧含量,拓宽催化剂的脱硝温度窗并促进活性金属组分中铬、铜的电子转移(Cr^(5+)→Cr^(3+)→Cr^(2+),Cu+→Cu^(2+))。

负载复合金属催化剂的活性半焦脱除烟气中NO的非等温动力学研究

对负载复合金属催化剂的活性半焦脱除烟气中NO进行了非等温动力学研究,并对其反应机制进行了探讨.使用热重分析仪进行程序升温脱硝实验,采用Flynn-Wall-Ozawa(FWO),Kissinger-Akahira-Sunose(KAS)和Coats-Redfen(CR)非等温动力学方法,计算纯活性半焦和负载金属催化剂的活性半焦脱硝的表观活化能.使用X射线衍射仪(XRD)对催化剂脱硝前后的金属活性相进行了分析.结果表明:在活性半焦上负载铜铁复合金属催化剂后,降低了脱硝反应的表观活化能、反应所需温度和反应能耗;当活性半焦的碳转化率≤0.3时,脱硝过程主要由化学反应控制,当碳转化率>0.3时,脱硝过程转向扩散控制为主;通过XRD结果分析可知,金属催化剂的低价态活性相具有较高的催化活性,随着脱硝反应的进行,金属活性相被氧化成为活性较低的高价态;复合金属氧化物铁酸铜能在反应过程中分解成为活性更高的金属活性相,提高了脱硝性能.

烟气组分对甲基脲-氯化乙酰胆碱低共熔溶剂吸收NO的影响机制

低共熔溶剂(deep eutectic solvents,DESs)作为一种新型的“绿色溶剂”,具有无毒无害、不易蒸发、热稳定性良好等特点,被用于吸收烟气中的有毒气体(NO)。采用甲基脲(MTU)和氯化乙酰胆碱(AchCl)制备低共熔溶剂(MTU-AchCl DESs)进行NO吸收性能研究,重点探究了DESs配比、NO浓度、O_(2)、H_(2)O和CO_(2)对其吸收效果的影响。结果表明:MTU-AchCl DESs在摩尔比为2∶1时的脱硝性能最佳。当烟气中存在O_(2)时,MTU-AchCl DESs对NO由最大吸收量为0.223 g/g,O_(2)通过转化NO为NO_(2)促进其吸收。当烟气中通入CO_(2)时,MTU-AchCl DESs对NO的吸收效果有一定促进。当通入H_(2)O时,DESs的吸收量下降,H_(2)O对DESs体系吸收NO有抑制效果。通过FI-IR和Gaussian模拟计算结果发现,MTU-AchCl DESs与NO以氮氧双键(NO)、氮氧单键(N—O)以及氮氮单键(N—N)的形式结合。加入O_(2)、CO_(2)和H_(2)O后,DESs体系的反应焓从-53.334 kJ/mol分别变化到-56.212,-55.423,-50.982 kJ/mol,模拟结果进一步验证了烟气组分对NO的吸收效果有不同影响。

氧化镁湿法烟气脱硫反应特性的分析

利用氧化镁在鼓泡反应器中进行了湿法烟气脱硫的实验研究。对其脱硫反应特性进行了单因素实验,分别考察了脱硫温度、氧化镁浓度、烟气中不同SO_2和O_2浓度对氧化镁湿法脱硫效率的影响。并对脱硫产物进行XRD和STA-MS分析。结果表明:不同实验条件下,脱硫浆液pH值大于6时,脱硫效率均达到100%。在40℃时其有效脱硫时间增加,脱硫效果最好;MgO的浓度越高,脱硫效果越好;烟气中SO_2浓度越高,有效脱硫时间越短;烟气中含有O_2时脱硫效果下降。脱硫浆液pH值在脱硫反应初期出现快速下降,随后下降较缓慢。烟气中未通入氧气时脱硫产物主要是水合MgSO_3和MgSO_4,通入氧气后脱硫产物主要是水合MgSO_4。

煤低温氧化下H2O生成影响因素试验研究

为给揭示煤低温氧化机理提供理论依据,在线性升温下模拟煤的快速氧化,通过监测煤氧化过程中煤温和产生的水分,并与煤在氮气下加热过程的对比,研究煤低温氧化过程中气体氧化产物H2O的生成量,对比分析气流氧浓度、煤含水量和煤质量对煤氧化生成H2O量的影响。研究表明:煤氧化生成的H2O量随氧化温度的增加而逐渐增加;较高的氧分压促进氧在煤表面物理、化学吸附,进而使得煤氧化生成H2O量随气流氧浓度的增加而增加;煤氧化生成H2O量随煤含水量的增加而逐渐增加;尽管质量较多的煤温的升高随炉温的升高而减慢,然而由于较高的热容量,其较多的氧化自热产生较多的气体氧化产物H2O。