碱木质素强化煤焦粉化学链气化实验研究

中国煤炼焦工业副产物煤焦粉产量大、活性低,难以被直接回收利用,常规热化学利用方式反应条件苛刻、催化剂易失活且存在动力学限制。本研究通过造纸副产物碱木质素作为可弃型催化剂,构建碱木质素强化化学链气化的方式来处理煤焦粉,实现工业副产物协同资源化利用。热转化实验和动力学分析研究表明,碱木质素可强化煤焦粉化学链气化过程,促进煤焦粉热解峰向低温方向移动。当煤焦粉与碱木质素质量比为1∶3时,反应活化能比单独煤焦粉反应降低87.56%。固定床实验证实气化温度提高、碱木质素以及载氧体赋存量增加,可以有效提高燃料碳转化率及合成气产物选择性,促进气化反应进行,但氧载体过量会导致合成气转化为终端产物,降低合成气选择性。在气化温度为950℃,煤焦粉与碱木质素质量比为1∶2,氧载体与煤焦粉/碱木质素混合体系质量比为1∶1的最佳反应条件下,基于NiFe2O4的碱木质素/煤焦粉化学链气化合成气选择性高达82.85%。该研究为碱木质素与煤焦粉的资源化利用提供科学依据。

结合态与无机态钠对木质素半焦气化特性的影响

采用高温水平管式炉热解制取含有机结合态钠和无机态钠的木质素半焦,利用扫描电镜/能谱分析仪(SEM/EDS)和热重分析仪(TG)对半焦的形貌、元素分布及气化特性进行研究,借助热重红外联用技术(TG-FTIR)考察2种状态钠对木质素半焦气化反应性影响机理。结果表明,随着制焦温度由400℃增加到800℃,结合态钠木质素半焦表面出现大量鼓泡,半焦表面钠元素相对含量由5.36%增加到15.72%,半焦的CO_2和水蒸气气化碳转化率分别增加30%和20%;无机态钠催化木质素实验结果与结合态钠木质素相反。反应温度低于600℃时,结合态钠与木质素半焦反应主要为—CO_2Na与半焦反应;反应温度600~800℃范围内,主要为—CO_2Na和—CONa与半焦反应;当温度高于800℃时,主要为—CONa与半焦反应。

快速热解炭负载Cu-Zn对碱木质素热裂解生成单酚类化合物的催化性能

以具备丰富中孔和大孔结构的快速热解炭(FPC)为载体,采用共浸渍法制备了不同Cu/Zn摩尔比的CuxZny/FPC负载型催化剂.采用X射线衍射仪(XRD)、高分辨场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)及电子能谱仪(EDX)对催化剂进行了表征,采用热重分析仪(TG)和热解气质联用仪(Py-GC/MS)评价了催化剂对碱木质素热裂解生成单酚类化合物的催化性能.结果表明,催化剂活性组分Cu O和Zn O晶相结构均一,很好地嵌入到FPC中孔和大孔结构中,未发生聚集状态或生成Cu Zn合金;随着Cu或Zn金属负载量的增大,相应的Cu或Zn金属氧化物衍射峰强度逐渐增强,平均晶粒尺寸逐渐增大.热重分析结果表明,催化剂降低了碱木质素热裂解残炭率和反应活化能,提高了热裂解反应效率.热解气质联用分析表明,CuxZny/FPC催化剂大幅度简化了碱木质素热裂解单酚类化合物种类(从23种减少到了10种),Cu0.67Zn0.33/FPC对单酚类化合物表现出最大的选择性(52.99%),与Cu/FPC相比选择性增加49.7%.

木质素炭与ZSM-5联合催化热解木质素制备芳烃实验研究

为了提高木质素催化热解所得芳烃的产率,本研究以碱木质素为原料,在碱木质素炭和ZSM-5的二元催化体系下进行快速热解实验,选取催化剂比例、热解温度、热解时间等为实验变量,探究碱木质素热解产物中芳烃的变化规律以及碱木质素炭和ZSM-5协同催化作用机理。结果表明,碱木质素催化热解所得芳烃的产量从17 mg/g(未加炭)提高到33 mg/g(炭添加量为1 g),产率增加了近一倍。通过不同工况研究发现,碱木质素快速热解制备芳烃的最佳条件是:碱木质素∶碱木质素炭∶ZSM-5=1∶1∶1,热解温度为500℃,热解时间为10 min。机理分析表明,热解过程中碱木质素炭主要起断键作用,而ZSM-5起择形芳构化作用,两者协同作用得到更高的芳烃产率。

木质素基成炭剂的制备及在膨胀阻燃聚丙烯的应用

以碱木质素为模板、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷为改性剂,一步法合成了含有硅元素和碳碳双键等结构的木质素基成炭剂(MLig)。热失重分析结果表明,MLig具有较好的热稳定性能及成炭能力,明显优于未改性碱木质素。将MLig作为成炭剂,用于制备膨胀阻燃聚丙烯复合材料(MLig/IFR/PP),通过极限氧指数测定仪、垂直燃烧测定仪、热失重分析仪和电子万能试验机等分别对阻燃聚丙烯的阻燃性能、热稳定性能、力学性能等进行了研究。结果表明,当阻燃剂质量分数为30%、MLig与季戊四醇质量比为1:3时,MLig/IFR/PP的极限氧指数(LOI)值可达32%,UL-94垂直燃烧过V-0级,明显优于含未改性木质素膨胀阻燃聚丙烯(Lig/IFR/PP);同时,当阻燃剂质量分数降至25%时,MLig/IFR/PP的阻燃性能仍优于含30%阻燃剂的Lig/IFR/PP。此外,与Lig/IFR/PP相比,MLig/IFR/PP的热稳定性能和力学性能均得到了改善,其中冲击强度提升了80%以上。

一种含N、Si木质素基成炭剂的合成及其表征

以麦草碱木质素(WSAL)为主要原料,利用γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)对其进行改性,制得了含N、Si木质素基成炭剂(CFA-WSAL),并对其合成工艺进行了优化。同时,借助傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和热重分析仪(TGA)分别对该木质素基成炭剂的结构与热稳定性能进行了表征。结果表明:成功获得了目标产物CFA-WSAL,其在空气中的起始降解温度(T_(5%))为269.9℃,明显高于WSAL(204.7℃)。在固定木质素及溶剂用量分别为200 mg和5 ml的前提下,CFA-WSAL的最佳制备工艺为:乙醇和去离子水的体积比为0.5:4.5,反应温度为80℃,反应时间为2 h,KH550用量为0.488 g。此外,CFA-WSAL在500℃及800℃下的残炭率分别可达到31.5%和21.3%,明显高于WSAL的2.0%和1.9%。这表明该成炭剂具有良好的热稳定性及成炭能力,在膨胀型阻燃高分子材料领域具有潜在的应用前景。