基本信息
- 项目名称：
- 均匀沉淀法制备负载型双金属催化剂的正交实验研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 针对普通商业镍基催化剂易于失活的缺点，本作品对镍基催化剂进行掺杂和负载处理，采用沉积沉淀法制备负载型掺杂镍基催化剂，产品抗失活能力强、催化性能好、使用寿命长，广泛应用于生物质、城市生活垃圾催化热解生产燃气等方面。同时，作品利用正交实验探讨不同工艺参数对催化剂合成的影响，得出最佳制备工艺。
- 详细介绍：
- 随着世界工业和经济的高速发展，能源危机和环境污染问题日益严重。城市生活垃圾的无害化处理及资源化利用技术日益受到全世界的关注。本作品开发了一种负载型掺杂镍基催化剂，将其应用于城市生活垃圾热转化处理，并生产燃气方面具有广阔的应用前景。在城市生活垃圾热处理技术中，使用该催化剂既能解决城市垃圾污染和处理难题，又能产生工业或民用燃气等再生能源，达到垃圾减量化、无害化、资源化处理的目的。 针对普通商业镍基催化剂易于失活的缺点，本作品对镍基催化剂进行掺杂和负载处理，以镍和钴两种金属盐为原料，尿素为沉淀剂，三氧化二铝为载体，采用沉积沉淀法制备负载型掺杂镍基催化剂，并利用正交实验探讨不同工艺参数对催化剂合成的影响，得出最佳制备工艺。 制备的负载型掺杂镍基催化剂具有的主要优点为：（1）制备方法简便实用，负载率高；（2）催化剂为涂层结构，能充分节约活性组分用量，从而降低催化剂成本，成本低廉；（3）负载型掺杂镍基催化剂比表面积大、催化活性高、催化效果好。该催化剂应用于城市垃圾催化热解和气化生产燃气，焦油去除率达99%，燃气中可燃成分含量达85%，催化效果明显优于商业镍基催化剂；（4）催化剂进行掺杂处理后，显著增强了镍基催化剂的抗积碳和抗高温烧结能力，因而该催化剂抗失活能力强，使用寿命长；（5）该催化剂能有效地去除燃气中的焦油，并提高气化效率和燃气品质，解决了城市垃圾热解处理技术中焦油污染和催化剂易于失活的难题，为城市垃圾催化热解处理技术提供了强有力的技术支撑。 本作品已申请国家发明专利，其科学性、先进性、创新性得到了国家知识产权局和相关专家的肯定。作品内容包括学术论文、研究报告、专利申请书及受理证明等。该成果应用于城市生活垃圾催化热解或气化处理生产燃气，有效解决了城市垃圾催化热解处理中的技术难题，显著提高气燃产率和品质。因此，该成果应用于城市垃圾催化热解或气化处理生产燃气等方面具有广阔的应用前景及显著的环保和经济效益；有利于缓解当前日益紧张的能源危机和环境污染难题，具有重大的生态、经济和社会意义。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 随着能源危机和环境污染问题的日益严重，城市生活垃圾的无害化处理及资源化利用技术日益受到全世界的关注。针对垃圾处理技术中焦油污染和催化剂易于失活的问题，作品采用均匀沉淀法制备负载型掺杂镍基催化剂，所得产品抗失活能力强、催化性能好、使用寿命长，同时利用正交实验探讨不同工艺参数对催化剂合成的影响，得出最佳制备工艺。
科学性、先进性及独特之处
- 1）采用沉积沉淀法制备镍基催化剂，制备方法简便，负载效果好；2）镍基催化剂为涂层结构，使得制备该催化剂能充分节约活性组分用量，降低催化剂生产成本；3）催化剂活性组分被负载到催化剂的表面，能完全保证活性组分的催化效果；4）催化剂进行掺杂处理后，可以增强镍基催化剂的抗积碳和抗高温烧结能力；5）催化剂应用于城市垃圾催化热解处理技术中，有效地促进焦油裂解并去除，解决了燃气中焦油污染和催化剂易于失活的难题；
应用价值和现实意义
- 作品开发的掺杂型负载镍基催化剂具有抗失活能力强、催化效果好、使用寿命长等特点，在生物质、城市垃圾催化热解制取燃气等方面应用前景广阔。 随着能源危机和环境污染问题的日益严重，城市生活垃圾的无害化处理及资源化利用技术日益受到全世界的关注。作品开发的催化剂在城市生活垃圾热处理技术中的应用，既能解决城市垃圾污染和处理难题，又能产生工业或民用燃气等再生能源，达到垃圾减量化、无害化、资源化处理的目的。
学术论文摘要
- 以镍盐和钴盐为原料，尿素为沉淀剂，三氧化二铝为载体，采用均匀沉淀法制备了负载型镍钴双金属催化剂。利用正交实验探讨了不同工艺参数对催化剂合成的影响，并得出了最佳制备工艺。实验得出的最佳工艺参数为： 镍盐、钴盐物质量之比为4∶1，尿素与镍钴总量之比为6∶1，均匀沉淀反应的温度和时间分别为115℃和2.5h。同时运用XRD、SEM等分析手段对催化剂的物相结构和形貌进行了表征。结果显示催化剂外壳由复合的镍钴金属氧化物包裹，分散性良好，呈现多层立体结构。
获奖情况
- （1）2010年11月，团队成员公开发表论文《均匀沉淀法制备负载型双金属催化剂的正交实验研究》 （2）2011年2月，该作品系列研究成果申请了国家发明专利（201110032061.2）
鉴定结果
- 所开发的催化剂催化效果好、使用寿命长，制备方法简单，生产成本低廉，在生物质、城市垃圾催化热解制取燃气等方面应用前景广阔，实现了垃圾处理的减量化、无害化、资源化，具有重大的生态、经济和社会效益。
参考文献
- [1] 李建芬，肖波，晏荣，等.均匀沉淀法制备纳米氧化镍及其工艺优化[J].化学工程[J]，2007，35（8）：55-56. [2] Li Jianfen,Yan Rong, Xiao Bo, et al. Preparation of nanocrystalline NiO and process analylysis[J]. Journal of Synthetic Crystals(人工晶体学报)，2007， 36（5）：1045-1051. [3] 贺茂云，肖波，胡智泉等. 镍基催化剂的制备及其对垃圾气化产氢的催化活性[J]. 中国环境科学，2009，29(4)：391—396. [4] 杨修春，韦亚南，李伟捷. 焦油裂解用催化剂的研究进展[J]. 化工进展，2007, 26(3): 326-330. [5] 罗思义, 肖波, 郭献军等. 城市生活垃圾水蒸气催化热解的实验研究[J].环境科学与技术, 2009,32(8): 43-52. [6] 贺茂云, 胡智泉, 肖波等. 城市生活垃圾催化气化制取富氢气体的研究[J].环境工程, 2009,27(2): 97-101. [7] Yang Xiaoqin, Xu Shaoping, Xu Hailong, et al. Nickel supported on modified olivine catalysts for steam reforming of biomass gasification tar[J]. Catalysis Communications, 2010,11: 383–386. [8] Liu Haibo, Chen Tianhu, Zhang Xianlong, et al. Effect of Additives on Catalytic Cracking of Biomass Gasification Tar over a Nickel-Based Catalyst [J]. Chin. J. Catal, 2010, 31: 409–414.
同类课题研究水平概述
- 城市生活垃圾处理问题一直是全世界关注的重大环境问题。随着我国经济快速发展，城市生活垃圾产生量大，增长幅度快，不仅严重占用土地，而且还造成了严重的环境污染，城市生活垃圾处理和处置问题迫在眉睫。目前，垃圾处理主要使用填埋、堆肥、焚烧发电等方法，这些垃圾处理技术在环境保护中发挥了一定的作用，但也存在诸多不足，如填埋占用大量土地，造成渗沥水二次污染；堆肥法处理量小、减量化效率低；焚烧法设备价格昂贵，尤其是容易造成严重的二恶英污染。因此开发高效洁净的城市垃圾处理技术是垃圾处理问题的关键和发展趋势。垃圾热解技术将城市生活垃圾通过催化热解转变为燃气，既可提高城市生活垃圾处理的经济产出和垃圾处理量，解决城市垃圾的环境污染问题，同时有利于能源经济的发展，将具有极大的经济、社会与环境效益。 然而，垃圾热解产生的燃气中含有大量的焦油，对环境和人体健康产生危害。催化裂解被认为是当前最有效的焦油去除手段，同时还可以达到提高燃气利用价值的目的。这一方法中有待探讨和解决的关键技术问题是催化剂失活及改性，它也是当前包括垃圾在内的生物质热转化与利用过程中的研究热点和主要难题。 目前，用于生物质焦油裂解的催化剂主要有：白云石类、碱金属类和镍基催化剂。但白云石易于粉化，碱金属难于回收且价格昂贵。镍基催化剂对焦油裂解及燃气成分调整具有极高的催化活性。镍基催化剂的局限性是其在生物质气化的热气氛环境下会迅速地失活，这影响了催化剂的寿命。目前，垃圾催化热解及其催化剂的开发应用在国内外已形成一个研究热点，相当多的研究主要集中于催化热解工艺及设备的开发改进，以及直接利用锻烧白云石或商业镍基催化剂对热解和气化过程及产物的影响。而专门针对催化剂的开发和性能研究较少。尤其是国外对垃圾热解进行了大量的研究，垃圾热解技术在欧美等发达国家现已进入了实用化、工程化和商业化推广阶段。但国内这方面的研究才刚刚起步。因而，对城市垃圾热解技术进行攻关，开发出高效廉价的催化剂，提高垃圾热解的燃气热值，降低燃气中焦油含量，提高可燃气比例，是当前利用垃圾热解气化生产燃气急待解决的技术难题。 因此本研究小组以镍和钴两种金属盐为原料，尿素为沉淀剂，三氧化二铝为载体，开发和制备负载型镍基催化剂，并对其在垃圾热解处理中的应用作了相关研究。
