[发明专利]一种新型生物质基功能纳米材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种新型生物质基功能纳米材料的制备方法及其应用。该材料以生物质废弃物为载体，通过在水热炭上负载纳米级的单质镍颗粒，制备了能够应用于市政污泥催化裂解气化的催化剂，该催化剂制备成本低，反应条件温和，催化活性高，具有良好的稳定性和催化寿命，能够显著提高市政污泥的催化气化效果，制备的气化合成气中氢气最高体积分数>80％，焦油催化裂解效率>95％。

技术领域

本发明涉及环境工程和污染物控制技术领域，尤其涉及一种生物质基功能纳米材料的制备及其应用。

背景技术

氢气无毒无臭,燃烧时仅产生水，对环境零污染，是一种理想的绿色清洁能源，广泛应用于化学、食品、交通运输等各个领域。氢能非一次能源，传统制氢方式(天然气重整、电解水、水煤气法等)成本较高，且消耗大量化石能源，污染生态环境。利用廉价且储量丰富的可再生生物质废弃物资源制氢具有广阔的发展潜力。总量急剧增加的市政污泥是我国城镇固体废弃物的重要组成之一。目前处理方式主要为焚烧、填埋以及堆肥，对大气和土壤环境易造成二次污染。因此采用热解气化技术将市政污泥转化为高品质氢能是最有前景的制氢技术之一。以水蒸气为气化介质，进行气化制氢主要存在氢气含量低、焦油副产物含量高等关键问题，限制了该技术的推广应用。本发明针对这两个关键问题，结合我国每年产生大量农业废弃物的特点，提出一种利用廉价农业废弃物制备功能纳米材料的制备方法并用于市政污泥的催化裂解气化制氢。该工艺可有效提高氢气含量并降低焦油含量，既能显著降低制氢生产成本、减少传统化石能源消耗，又为大量赋存的生物质废弃物提供切实可行的解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对传统制氢工艺能耗过高、消耗过量化石燃料、环境二次污染严重等问题，结合我国大量赋存的市政污泥、农业废弃物等生物质废弃物，提供一种清洁、可再生的富氢合成气制备新工艺。本发明方法原料廉价可再生，反应条件温和，制备的气化合成气中氢气体积分数高，具有广阔的工业化制氢应用潜力。

为实现本发明的目的，本发明提供一种水热炭负载纳米级零价镍催化剂的制备方法。通过在水热炭上负载纳米级的零价镍颗粒，制备了能够应用于市政污泥催化裂解气化的催化剂，该催化剂制备成本低，反应条件温和，催化活性高，具有良好的稳定性和催化寿命，能够显著提高合成气中氢气体积分数。该工艺的制备效果受前驱体浓度、水热炭化反应温度、反应时间、煅烧温度、气化温度、催化剂用量等因素的影响。

本发明的主要优点体现在以下几方面：

六水合硝酸镍溶液的浓度是1.0-1.5mol/L，其原因是：镍离子浓度过高，会导致镍离子在水热炭载体表面的过饱和吸附，在催化反应中导致大量表面活性位点的流失，降低催化反应活性。镍离子浓度过低，会导致镍离子在水热炭载体表面的不饱和吸附，减少催化剂表面活性位点数量，降低催化效率。

水热炭化温度选200-240℃，反应时间2-4h，其原因是：利用水热炭表面丰富的电子转移基团实现Ni²⁺向Ni⁰电子转移的Ni“自还原”过程。水热炭化温度过高或反应时间过长，水热炭表面电子转移基团种类和数量会显著降低，影响Ni“自还原”反应进程。水热炭化温度过低或反应时间过短，Ni纳米颗粒与水热炭载体的相互作用较弱，影响后续催化稳定性。

催化剂在700℃温度下煅烧2h，其原因是：煅烧温度过高或煅烧时间过长，会造成零价纳米镍颗粒尺寸的过度增长，减少活性晶面暴露数量，降低催化活性。煅烧温度过低或煅烧时间过短，零价纳米镍颗粒与水热炭载体之间的相互作用较弱，催化反应中容易流失活性组分，降低催化效率和催化稳定性。

在两段式催化反应系统中，将市政污泥样品在700-800℃进行水蒸气催化气化反应，其原因是：气化反应温度过高，容易导致催化剂活性中心烧结、失活，降低催化效率。气化反应温度过低，气化合成气中焦油副产物含量过高，降低焦油的催化裂解效率。