炭基催化劑表面CH4-C2H5OH微波裂解制氫的研究.pdf

1、隨著世界能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益加劇。尋求潔凈、無污染的新能源已經(jīng)成為當(dāng)今世界的主題。氫氣作為一種清潔、高效的燃料日益受到人們的關(guān)注。甲烷催化裂解和乙醇催化裂解技術(shù)是兩種有效的制氫途徑。此外，乙醇催化裂解過程中，催化劑表面可能會伴隨有大量碳納米管的生長，大大提高了裂解產(chǎn)物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
　　本文首先以活性炭和污泥殘?jiān)鞔呋瘎?，采用微波為熱源，考察了兩種催化劑催化甲烷裂解時(shí)，不同反應(yīng)條件對甲烷裂解反應(yīng)的影響，并著重考察了微波誘導(dǎo)氣體放

2、電對甲烷轉(zhuǎn)化率的影響，對可能影響氣體放電的反應(yīng)條件進(jìn)行對比分析。同時(shí)利用FTIR、XRD、SEM-EDS和比表面儀等技術(shù)手段對甲烷裂解前后活性炭和污泥熱解殘?zhí)康男再|(zhì)進(jìn)行表征，研究了兩種催化劑催化甲烷裂解時(shí)活性降低的原因。
　　其次本文分別考察了污泥殘?jiān)突钚蕴看呋掖剂呀鈺r(shí)，不同微波功率和空速對H2濃度的影響；并通過SEM表征，研究了不同反應(yīng)條件對碳納米管生長的影響。
　　最后研究了乙醇對兩種催化劑催化甲烷裂解時(shí)活性的影響，

3、并通過設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)，研究了乙醇能夠改善催化劑活性的原因。
　　總結(jié)本文的研究工作，主要的結(jié)論和成果歸納如下：
　?。?）活性炭在不同氣氛條件下表現(xiàn)出不同的溫度特性。當(dāng)微波功率為560W時(shí)，活性炭在氮?dú)庵械臏囟葹?35℃，稍高于 H2，而在 CH4中的穩(wěn)定溫度約為625℃。其原因可能是，N2和H2在微波誘導(dǎo)下更加容易被電離，內(nèi)部產(chǎn)生等離子體的數(shù)量多于 CH4氣氛，導(dǎo)致前兩者床層溫度較高。甲烷轉(zhuǎn)化率隨甲烷分壓的減小而增大，并在6

4、0％濃度下達(dá)到最大值，之后隨甲烷分壓的減小而減??；而電加熱條件下，甲烷轉(zhuǎn)化率隨甲烷分壓的減小而減小。分析種現(xiàn)象與氣體放電中的潘寧效應(yīng)有關(guān),在甲烷濃度為60%，混合氣體的擊穿電壓急劇降低，產(chǎn)生大量放電等離子體，從而提高反應(yīng)溫度，促進(jìn)了甲烷裂解反應(yīng)的正向進(jìn)行。鐵粉的摻入有利于促進(jìn)放電等離子體的形成，提高了活性炭反應(yīng)溫度，從而增大甲烷的轉(zhuǎn)化率。FTIR結(jié)果表明，活性炭表面含氧官能團(tuán)可能是甲烷裂解活性中心。反應(yīng)前后活性炭電鏡掃描分析及物性參數(shù)的

5、比較表明，甲烷裂解后產(chǎn)生的大量積碳覆蓋在活性炭表面，導(dǎo)致比表面積和微孔容減小，平均孔徑增大，說明活性炭活性降低的原因主要是由于積碳堵塞微孔導(dǎo)致甲烷分子無法與活性中心接觸所導(dǎo)致。
　　（2）泥殘?jiān)鼘淄榱呀夥磻?yīng)具有良好的催化活性；增加微波功率能夠有效提高甲烷轉(zhuǎn)化率；污泥殘?jiān)诓煌瑲夥諚l件下表現(xiàn)出不同的溫度特性，其在N2和H2氛圍內(nèi)的溫度明顯高于CH4，表明氣氛條件是影響甲烷裂解的因素之一。研究表明，甲烷轉(zhuǎn)化率隨粒徑的減小而增大，通過

6、分析可能有兩方面的原因：一是減小粒徑可以降低甲烷分子的擴(kuò)散阻力，另一方面是小的粒徑更加有利于氣體放電等離子體的生成，提高了反應(yīng)溫度所致。研究還表明，進(jìn)口甲烷濃度越高，甲烷的轉(zhuǎn)化率越大。FTIR結(jié)果表明，污泥殘?jiān)砻婧豕倌軋F(tuán)并不是其活性中心的所在。反應(yīng)前后污泥殘?jiān)婄R掃描分析及物性參數(shù)的比較表明，甲烷裂解后產(chǎn)生的大量積碳覆蓋在污泥殘?jiān)砻妫瑢?dǎo)致比表面積降低，平均孔徑增大，表明污泥殘?jiān)钚越档偷脑蚩赡芘c積碳覆蓋表面，導(dǎo)致甲烷分子無法與活

7、性中心接觸所致。
　?。?）污泥殘?jiān)呋掖剂呀鈺r(shí)，H2濃度隨微波功率的升高而升高，空速對H2濃度并無明顯；活性炭催化乙醇裂解時(shí)，增大微波輸出功率和空速都能有效提高H2濃度。污泥殘?jiān)鼉H在反應(yīng)條件為微波功率320W，空速0.5時(shí)，表面伴有大量碳納米管的生成；分析主要有三個(gè)方面的原因：（1）在過低的功率時(shí)，由于反應(yīng)溫度較低，乙醇裂解不充分，導(dǎo)致碳源不足；（2）過高的功率可能會導(dǎo)致乙醇裂解過快，生成的碳原子過多而來不急擴(kuò)散，從而生成大量