化学链燃烧中铁基载氧体研究进展

化学链燃烧是我国应对气候变化的重要技术之一。载氧体作为氧和热的载体,是实现化学链燃烧的关键因素。近年来,寻找廉价载氧体成为研究者们关注的问题。铁基载氧体由于具有价廉、资源丰富、环境友好、机械性能好等优点受到了广泛关注,但其反应活性相对较差,如何提高其反应活性是其大规模应用的关键。笔者详细论述了化学链燃烧中铁基载氧体活性改进的研究进展,针对如何提高铁基载氧体的反应性能,从铁基载氧体制备方法的优化、组分掺杂、结构调控等3方面进行了阐述。指出,对于载氧体制备方法,应综合载氧体反应性能、制备周期和成本等因素,对其进一步选择或改进。对于载氧体组分,惰性载体的添加、制备成复合载氧体以及碱金属掺杂均可在一定程度上提高载氧体的反应性能,但采用单一措施均存在一定的问题,如活性组分与惰性载体的相互反应、复合载氧体的烧结以及碱金属的流失等,因而需要进一步研究各种因素间的相互作用。对于不同结构的载氧体,虽具有良好的结构稳定性或热稳定性,但也存在各自的缺点,如钙钛矿结构储氧能力较低,氧释放能力较低;在长时间的循环过程中,尖晶石结构的载氧体产生晶相分离和颗粒烧结而失活的现象;为了保持壳核结构的载氧体在循环过程中的稳定性及反应活性,对壳材料需要进一步选择及优化。基于目前研究现状,笔者指出铁基载氧体反应性能的进一步提高需综合考虑各方面因素并深入探究各因素之间的相互作用。     

NiFeAlO4载氧体制备及煤化学链燃烧反应特性

铁基载氧体是一种具有工业应用前景的载氧体,但存在氧利用率低、在高温下易烧结等问题。虽可通过制备双金属复合载氧体或添加惰性组分改进其性能,但均存在一定缺陷。若将活性组分和惰性材料融入到一个晶体结构制备尖晶石结构载氧体,则可实现利用双金属协同作用提高载氧体活性的同时,利用Al3+提高载氧体的稳定性。采用共沉淀法和溶胶凝胶法制备了具有尖晶石结构的NiFeAlO₄载氧体,考察了制备方法、载氧体与煤质量比对NiFeAlO₄载氧体化学链燃烧特性和循环稳定性的影响,并分析了载氧体对煤转化过程的作用。结果表明,溶胶凝胶法制备的NiFeAlO₄载氧体具有更好的反应性,载氧体与煤质量比为20∶1时,碳转化率为86.7%,远高于煤单独热解时的碳转化率(34%),此时CO₂体积分数为93.6%。对反应前后NiFeAlO₄载氧体晶相结构和形貌进行分析,表明循环过程中经“还原-氧化”后生成的NiO和载氧体颗粒团聚是导致载氧体活性下降的主要原因。相较于载热作用,NiFeAlO₄载氧体在煤化学链燃烧中主要起供氧作用,其不仅会促进挥发分向煤气的转化,且NiFeAlO₄载氧体与焦炭之间也存在固-固反应,利于更多CO₂的生成。     

Co掺杂对Ni/NiAlOx催化剂结构和菲加氢饱和性能的影响

煤焦油中富含稠环芳烃菲,菲加氢饱和后的产物全氢菲因具有高能量、高密度、高稳定性等优势是高能量密度燃料的理想组分。高效加氢催化剂是菲加氢至全氢菲的关键因素之一。贵金属催化剂加氢能力强,但价格昂贵,传统镍钼硫催化剂加氢能力较弱,镍基催化剂成本较低且加氢能力强被广泛应用于稠环芳烃加氢饱和领域。课题组前期利用活性金属镍与载体镍铝尖晶石之间强相互作用合成了Ni/NiAlO_x催化剂,活性组分镍处于“缺电子”状态,有利于芳烃的吸附与活化,使得该催化剂具有较高的初始全氢菲选择性,但随着反应进行全氢菲选择性逐渐下降,主要是在反应过程中活性组分镍电子结构发生变化导致。考虑到钴与镍具有相似结构,容易溶到镍晶格中直接调控镍电子结构这一性质,采用先溶胶凝胶法再浸渍法制备出不同钴掺杂量的催化剂,考察了钴掺杂量对Ni/NiAlO_x催化剂结构以及菲加氢饱和性能的影响。当反应温度300℃、压力为5.0 MPa、反应原料1%菲/十氢萘溶剂、进料速率为6 mL/h、氢气流量为60 mL/min、重时空速为52 h^-1时,钴掺杂量为2%的催化剂在反应第6小时全...     

移动床生物膜反应器中的氧传质性能

为提高移动床生物膜反应器中氧传质效率,利用动态溶氧法测定曝气量(0.84～4.2m3/h)、填料填充率(0～30%)、反应器高度(0～0.5m)、溶液中添加表面活性剂十二烷基硫酸钠和电解质NaCl等因素对氧传质系数的影响,结果表明随着曝气量的增大,氧传质系数从0.002 5/s增加到0.066/s,填料固含率在10%时氧传质效果最好;反应器高度主要影响气泡的压力进而影响气液接触面积,随着气泡的上升,氧传质系数从0.011逐渐降低为0.009 6/s;表面活性剂在0～0.015g/L浓度范围内氧传质系数逐渐降低;NaCl通过改变气泡表面的ζ电势和表面张力进而影响氧传质效果,在0～20g/L范围内,氧传质系数随着NaCl浓度的增大而增大.     

活性金属Ni d电荷密度对Ni2P/Al2O3催化剂菲加氢性能的影响

高温煤焦油中菲含量高,将菲深度加氢饱和得到全氢菲,可提升菲利用率,且全氢菲密度大,热值高,可作为喷气燃料理想组分。然而,在菲加氢反应过程中菲与中间加氢产物的竞争吸附不利于菲在催化剂上吸附活化,且对称八氢菲进一步加氢是菲加氢饱和过程的速控步骤,其吸附活化困难不易解决,催化剂活性难以满足加氢需求。根据稠环芳烃与过渡金属间π络合吸附机理,在反应物吸附活化过程中,稠环芳烃分子和活性金属分别充当电子供体和电子受体,故Ni基催化剂中活性金属Ni处于缺电子状态时利于生成全氢菲,但关于Ni缺电子量及其电子结构如何影响催化剂菲、对称八氢菲加氢性能的原因需进一步探究。此外,基于负载型Ni₂P催化剂稳定性高、耐硫、耐氮性强等优势,采用次磷酸盐歧化法通过调变P/Ni物质的量比制备具有不同Ni d电荷密度的Ni₂P/Al₂O₃催化剂,考察Ni d电荷密度对菲、对称八氢菲吸附和反应性能的影响规律。结果表明,在320℃、5 MPa、空速1 309 h^-1反应条件下,Ni-2.5P/Al₂     

稠环芳烃加氢饱和催化剂研究进展

受共振能、空间位阻和竞争吸附等方面的影响,稠环芳烃末环的吸附活化是其加氢饱和反应的重点和难点之一。本文系统综述了稠环芳烃加氢饱和反应特点及各类稠环芳烃加氢饱和催化剂。分析表明,稠环芳烃吸附活化与其分子自身的属性和催化剂的性质密切相关,调控催化剂中活性金属的电子状态可有效促进稠环芳烃分子的吸附活化。针对常见稠环芳烃加氢饱和催化剂,本文分类阐述了各类稠环芳烃加氢饱和催化剂的活性相结构、活性位点数量和活性金属电子密度的调控方法。分析指出,提高活性组分的分散度和形成活性金属的缺电子状态能够提升催化剂的加氢活性,可通过调节载体的酸性和添加助剂等方法实现。     

碱金属掺杂对NiFeAlO4载氧体结构及反应特性的影响

采用溶胶-凝胶法和浸渍法制备了碱金属掺杂的尖晶石结构NiFeAlO4载氧体,考察了制备方法、碱金属种类、碱金属掺杂比例对NiFeAlO4载氧体结构、煤化学链燃烧特性和循环稳定性的影响。结果表明,溶胶 凝胶法制备的钾掺杂NiFeAlO4载氧体具有更好的反应性,当载氧体与煤质量比为20∶1时,掺杂质量分数为5% K2CO3的NiFeAlO4载氧体与煤反应的碳转化率为99%,高于NiFeAlO4载氧体与煤反应时的碳转化率（87%）。与NiFeAlO4载氧体相比,掺杂质量分数为5% K2CO3的NiFeAlO4载氧体呈现出更好的循环稳定性,主要归因于碱金属K的掺杂改善了载氧体的反应活性,对载氧体的团聚有抑制作用,且反应前后载氧体晶相结构保持不变。     

CO2原位捕集强化水气变换制氢研究进展

氢能为实现零碳排放的能源利用提供了重要解决方案。然而,受制氢技术限制,现阶段我国主要以化石燃料为原料通过气化或重整得到CO,再通过水气变换制氢。虽然使用化石燃料制氢拥有80%的能量转换效率,但其制氢生命周期的平均CO₂排放量近14 kg/kg(CO₂/H₂),不利于实现“双碳目标”。因此,在化石燃料经水气变换制氢过程中,如何分离去除CO₂是影响H₂纯度和减少能耗的关键步骤。相比于常用的醇胺溶液法高能耗,CO₂原位捕集强化水气变换制氢利用固体吸附剂原位捕集产气中CO₂,可实现一步制取高纯度H₂且富集回收纯CO₂。因CO₂的移除量和移除速率直接决定水气变换反应的强化程度,关系到H₂的产率和纯度,其运行稳定性与生产成本相关。因此,该工艺的高效运行依赖于高活性水气变换催化剂和CO₂吸附剂。为此,针对CO₂原位捕集...     

移动床生物膜反应器污水处理工艺的研究现状及展望

简述了移动床生物膜反应器的工艺原理和特点,详细介绍了国内外移动床生物膜反应器在生活污水、工业废水和生物脱氮方面的研究现状。通过比较不同生物膜法对焦化废水的处理效果,指出移动床生物膜反应器是一种经济、高效的焦化废水处理方法,最后提出移动床生物膜反应器在实际工程应用和理论研究中的发展趋势。