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)濟價值。
　　本文首先以活性炭和污泥殘渣作催化劑，采用微波為熱源，考察了兩種催化劑催化甲烷裂解時，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)條件進行對比分析。同時利用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)進行表征，研究了兩種催化劑催化甲烷裂解時活性降低的原因。
　　其次本文分別考察了污泥殘渣和活性炭催化乙醇裂解時，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活性的影響，

3、并通過設(shè)計對比實驗，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：
　　（1）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，活性炭在氮氣中的溫度為735℃，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，促進了甲烷裂解反應(yīng)的正向進行。鐵粉的摻入有利于促進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。
　?。?）泥殘渣對甲烷裂解反應(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；污泥殘渣在不同氣氛條件下表現(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，污泥殘渣表面含氧官能團并不是其活性中心的所在。反應(yīng)前后污泥殘渣電鏡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渣表面，導(dǎo)致比表面積降低，平均孔徑增大，表明污泥殘渣活性降低的原因可能與積碳覆蓋表面，導(dǎo)致甲烷分子無法與活

7、性中心接觸所致。
　?。?）污泥殘渣催化乙醇裂解時，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，增大微波輸出功率和空速都能有效提高H2濃度。污泥殘渣僅在反應(yīng)條件為微波功率320W，空速0.5時，表面伴有大量碳納米管的生成；分析主要有三個方面的原因：（1）在過低的功率時，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散，從而生成大量