沸石催化甘蔗渣裂解制備多壁碳納米管

編號：NMJS08103

篇名：沸石催化甘蔗渣裂解制備多壁碳納米管

作者：ABOUL-ENEIN Ateyya A AWADALLAH Ahmed E EL-DESOUKI Doaa S ABOUL-GHEIT Noha AK

關鍵詞： 碳納米管 Co-Mo/MgO 熱解 甘蔗渣 ZSM-5沸石

機構： Process Development Division EPRI-Nanotechnology Center

摘要： 通過催化熱解農業(yè)廢棄物甘蔗渣(SCB),采用兩步工藝生產具有顯著應用價值的碳納米管(CNTs)。主要研究沸石催化劑(HZSM-5、HMOR和HY)、熱解溫度(450−700℃)和SCB/ZSM-5的比例(3−12)對SCB催化熱解的影響,確定最佳工藝參數(shù)。隨后,將第一步產生富含碳的熱解產物用于第二步由Co-Mo/MgO催化生長CNTs。通過簡單的兩步工藝催化熱解SCB生產CNTs。SCB的催化熱解在半間歇式反應器(外徑=4 cm,長度=90 cm)中進行,CNTs的生長在水平反應器(外徑=2.5 cm,長度=100 cm)中進行。兩個反應器通過玻璃管(直徑0.6 cm,長度12 cm)連接并將熱解產物從反應器I轉移到反應器II。在半間歇式反應器中放入經過預處理的SCB和沸石催化劑,并以20℃/min加熱到反應所需溫度。隨后,將0.5 g Co-Mo/MgO加入到水平反應器中作為CNTs的生長催化劑。在一個典型的實驗中,將2 g沸石催化劑、24 g SCB放入半間歇式反應器,研究了不同種類沸石催化劑在500℃溫度條件下對SCB熱解的影響。接著,使用HZSM-5研究了不同溫度(450−700℃)對SCB熱解的影響。最后,研究了不同SCB/ZSM-5投料比例(SCB/ZSM-5=3、6、9、12)對SCB熱解的影響。此外,水平反應器中的CNTs生長溫度恒定為700℃。通過XRD、TPR和TPD進行催化劑表征。XRD譜圖證實了催化劑存在MgO和Co3O4,以及以小尺寸顆粒形式存在的CoMoO4和MgMoO4。使用XRD數(shù)據(jù)根據(jù)Scherrer方程計算45%Co-5%Mo/MgO催化劑的平均晶粒尺寸為25.8 nm。TPR分析表明,Co-Mo/MgO催化劑是由未反應的Co3O4以及混合氧化物組成。使用XRD數(shù)據(jù),計算得到HZSM-5、HMOR和HY的平均晶粒尺寸分別為43、41和51 nm。NH3-TPD分析表明沸石催化劑存在大量的酸性位點。催化熱解SCB結果表明,由HY和HZSM-5催化劑在500℃得到的揮發(fā)性產品(生物油和氣體)的總收率值分別為34.4%和32.8%,而使用HMOR產生的這些揮發(fā)性產品的收率值最低(28.8%)。用HZSM-5催化熱解SCB獲得了最高的炭產量(23.1%)。然而,使用HMOR和HY熱解催化劑產生的炭產量值較低,分別為15.8%和9.8%。使用TEM表征通過兩步法生產的碳納米管,并且測量了CNTs的外徑。數(shù)據(jù)顯示,用HZSM-5進行SCB熱解產生了直徑分布范圍較寬的CNTs(10−56 nm),而用HMOR和HY熱解催化劑則分別獲得了直徑較窄的CNTs(13−44 nm,12−28 nm)。拉曼光譜分析表明,使用HZSM-5作為SCB熱解的催化劑可以生產最優(yōu)的CNTs。研究了不同熱解溫度對CNTs產量的影響。結果顯示,將熱解溫度從450℃提高到500℃,炭產率值從6.7%達到最佳值23.1%,接著增加溫度至700℃,炭產量下降至16.7%。隨后對不同溫度下催化熱解形成的炭產品進行TEM表征,結果顯示,隨著溫度的升高炭產品中CNTs的比例下降,CNTs的直徑范圍變窄。拉曼光譜分析結果表明,在500和700℃形成的CNMs具有最少的缺陷。研究了投料比例對炭產品產量的影響,結果表明,SCB/ZSM-5的比例從3提高到12,生物油和氣體的總產量從36.4%下降到32.8%,而生物炭的產量分別從63.6%增加到67.2%。根據(jù)催化劑的質量計算得到炭產量的最佳值是使用SCB/ZSM-5比例為6。使用TEM表征不同投料比例生產的炭產品,分析表征結果可得SCB/ZSM-5的比例為6,是形成具有良好質量的致密CNTs的最佳選擇。并且不同投料比例的拉曼光譜顯示,SCB/ZSM-5比例為6可以生產最優(yōu)的CNTs。沸石類型(HZSM-5、HMOR和HY)、熱解溫度(450−700℃)和SCB/ZSM-5比例(3−12)影響CNTs和熱解產物(氣體、生物油和生物炭)的產量。實驗結果表明,獲得最高CNTs產量的條件為:熱解溫度為500℃、SCB/ZSM-5比例為6;獲得最高生物油和氣體總產量(40%)的條件為:熱解溫度為700℃、SCB/ZSM-5比例為12。TEM分析表明,使用HZSM-5催化劑在熱解溫度450℃只生成竹節(jié)狀碳納米管(BCNTs),而CNTs和碳納米洋蔥(CNO)是在較高溫度熱解溫度(500−700℃)下產生的。使用SCB/ZSM-5的比例為6時,生成CNTs的直徑分布范圍最大(7−76 nm)。拉曼光譜分析表明,使用SCB/ZSM-5的比例為6時,形成的CNTs最優(yōu)。該研究顯示,在半間歇式反應器中催化熱解SCB是生產CNTs的有效技術,通過對工藝和反應器的優(yōu)化可以達到更好的效果。