生物油模型化合物催化裂化制备芳香烃的实验研究

通过HZSM-5分子筛催化剂对生物油典型模型化合物(乙酸、愈创木酚、正庚烷和环己烷等)在550℃进行了催化裂化反应,研究模型化合物催化裂化特性和反应机理以及催化剂性质。结果表明,正庚烷和环己烷裂化产物主要是芳香烃(53%和91%,均为积分面积分数),对于此类不含氧的模型化合物,催化裂化反应过程更容易进行;随着催化剂用量的增加,可以有效增加乙酸裂化产物中芳香烃含量(12%到90%,均为积分面积分数);愈创木酚结构比较复杂,HZSM-5催化剂主要脱除了甲氧基,催化剂用量的增加可以使芳香烃类稳定物质更容易形成。     

生物油中反应性化合物对羧酸在超临界甲醇中酯化的影响

采用乙酸（AC）、丙烯酸（AR）、乙酰丙酮（AA）、糠醛、2-甲氧基苯酚（MP）和水等组分,研究了羧酸在超临界甲醇中的酯化反应,并考察了各种组分对酯化反应的影响。通过两种羧酸单独酯化和共同酯化的特性以及水分影响的考察发现,超临界酯化过程中存在着不同酸的酯交换作用;水分对酯化反应具有明显的抑制作用,但超临界酯化时具有更高的耐水性。水分的抑制作用主要是削弱了羰基正离子的亲电能力,降低酯化反应速率,而不是因为化学反应平衡移动。超临界酯化的高温可加快反应速率,较弱的氢键环境可部分抵消羰基正离子亲电能力的削弱作用。AA和糠醛对酯化反应基本没有影响,但AA自身会被转化为丙酮和乙酸甲酯,而糠醛会发生缩醛化反应。MP对AR的酯化具有促进作用,并抑制聚合,从而可以提高酯化的转化率和选择性。
     

不同蒸馏压力下的生物油分子蒸馏分离特性研究

采用分子蒸馏分离技术对热敏性生物油在不同蒸馏压力下的分离特性进行了研究。经过分子蒸馏分离后,生物油被分离为蒸出馏分油与残留馏分油,蒸出馏分油的得率随着压力的下降而显著增大,在700 Pa时达到了56.50%(质量分数)。在馏分油的物理性质方面,蒸出馏分油富集了生物油内的大部分水分,残留馏分油内水分得到了较好的脱除,其中,700 Pa下残留馏分油的水分含量降至4.20%(质量分数)。结合生物油及馏分油的GC-MS分析结果,对乙酸、苯酚、糠醛以及左旋葡聚糖等生物油内典型化合物在不同蒸馏压力下的分布特性进行了研究,获得了相应化合物在分子蒸馏过程中的富集规律。结合分离因子评估模型对生物油内14种代表化合物的富集特性进行了量化评价。     

蒸馏温度对核桃壳生物油馏分组分分布的影响

通过改变蒸馏温度对生物油进行常压蒸馏并将馏分分为油水两相,研究了馏分的组分分布变化。结果表明,在120-300℃随着蒸馏温度的升高,生物油馏出率不断增加;蒸馏温度低于240℃的油相馏分中萘、甲苯等芳烃类化合物和乙酸等羧酸类化合物明显富集,以120℃油相馏分为例,芳烃类和羧酸类化合物的相对含量是生物油原油的13.86倍和3.15倍;当蒸馏温度高于240℃时苯酚、愈创木酚等酚类化合物大量馏出,使得油相馏分的产率明显增加;同时,所获水相馏分中的水分含量皆高于60%,水分的富集效果明显;在馏分中检测到了2-乙基乙酸丁酯和环戊酮等原油中未检测到的组分并且馏分中水分总量高于生物油原油,这些都表明生物油在蒸馏过程中发生了酯化、缩聚等化学反应。通过对油相馏分的组分分布进行分析,发现改变蒸馏温度可以有效富集生物油中的高价值化合物,如苯酚、愈创木酚、4-甲基愈创木酚、4-乙基愈创木酚和4-丙基愈创木酚的相对含量在300℃的油相馏分中分别比生物油提高了109%、160%、84%、53%和444%。     

蒸馏温度对核桃壳生物油馏分组分分布的影响

通过改变蒸馏温度对生物油进行常压蒸馏并将馏分分为油水两相，研究了馏分的组分分布变化。结果表明，在120-300℃随着蒸馏温度的升高，生物油馏出率不断增加；蒸馏温度低于240℃的油相馏分中萘、甲苯等芳烃类化合物和乙酸等羧酸类化合物明显富集，以120℃油相馏分为例，芳烃类和羧酸类化合物的相对含量是生物油原油的13.86倍和3.15倍；当蒸馏温度高于240℃时苯酚、愈创木酚等酚类化合物大量馏出，使得油相馏分的产率明显增加；同时，所获水相馏分中的水分含量皆高于60%，水分的富集效果明显；在馏分中检测到了2-乙基乙酸丁酯和环戊酮等原油中未检测到的组分并且馏分中水分总量高于生物油原油，这些都表明生物油在蒸馏过程中发生了酯化、缩聚等化学反应。通过对油相馏分的组分分布进行分析，发现改变蒸馏温度可以有效富集生物油中的高价值化合物，如苯酚、愈创木酚、4-甲基愈创木酚、4-乙基愈创木酚和4-丙基愈创木酚的相对含量在300℃的油相馏分中分别比生物油提高了109%、160%、84%、53%和444%。     

松木预处理温度对生物油特性的影响

通过螺旋反应器低温预处理除去松木中的半纤维素和水分,然后用预处理得到的固体残渣来快速热解制生物油。固体残渣的化学组成分析和红外光谱分析表明,由于木质素含量的增加和炭化反应的发生,生物油的产率降低、焦和不可冷凝气的产率增加。随着预处理温度的升高,生物油水分含量减少,高位热值增加,运动黏度增加,密度增加,pH值先升高后降低,固体颗粒物含量增加。核磁共振碳谱分析表明,生物油的脂肪碳含量减少,芳香碳含量增加,芳香度增加。     

生物油蒸馏残渣理化性质及热失重研究

利用傅里叶变换红外光谱仪、激光共焦显微拉曼光谱仪和TGA Q500热分析仪对生物油蒸馏残渣及其在不同温度处理后的热解焦炭理化性质进行表征,并对其热失重特性进行分析。结果表明,生物油蒸馏残渣主要是由脂肪族、芳香族和低聚糖类等有机化合物组成;在氮气氛围下热解主要分为三个阶段:30-145℃为小分子物质挥发析出阶段145-550℃为大分子物质裂解和氧化阶段,550-750℃为焦炭产生阶段;热处理过程中各类物质逐步有序热解析出,同时固体产物石墨化程度随着热处理终止温度的升高而升高。     

介孔分子筛反应精馏催化改性生物质裂解油

采用反应精馏的方法,以含锆介孔分子筛(S042-/Zr-MCM-41)为酸性催化剂,对生物质热解油进行了催化改性.通过XRD、N2吸附脱附及FT-IR表征了介孔分子筛的孔结构和表面基团.对生物油改性的较佳反应条件进行了考察,较佳的催化剂用量为生物油质量的4%,生物油、乙醇及过氧化氢水溶液(30%)的质量比为1:0.5:0.4,回流比1:6.在上述条件下,轻油收率21.4%(以生物油计).改性所得两种改性油与原料油相比,含水量由33%分别降至0.5%和5.0%,黏度由18.5 mm2/s分别降至0.46 mm2/s和3.65 mm2/s(30℃),pH值由2.82分别提升至7.06和5.35,热值由14.3 MJ/kg分别提升至21.5 MJ/kg和24.5 MJ/kg.经过GPC、Fr-IR和1H NMR分析,轻油主要成分是原料油中的轻组分所转化的酯类化合物,重油主要是原料油中难挥发的成分.     

基于不同萃取剂的生物油常压蒸馏研究

选用乙酸乙酯、二氯甲烷、乙醚和甲苯四种溶剂,分别与生物油按一定质量比混合萃取。将萃取相蒸馏得到的四种油相层与原始生物油进行对比,研究不同萃取剂对生物油萃取-蒸馏后各馏分的产率、水分及高附加值酚类组分变化的影响。结果表明,经萃取-蒸馏后,生物油残渣比例减少,水分含量降低。在四种溶剂中,甲苯萃取率较低,蒸馏后酚类绝对峰面积较小;乙酸乙酯和乙醚萃取效率较高,但两者萃取相蒸馏后酚类含量低;二氯甲烷萃取酚类能力强,其馏分中愈创木酚及其衍生物相对含量为34.11%,比生物油高出15.52%,富集程度高,更有利于后续进一步提纯愈创木酚及其衍生物等高附加值化学品。     

生物油中固体颗粒物的特性分析

利用电感耦合等离子体发射光谱、红外光谱分析和X射线衍射对不同固体颗粒物样品的特性进行了研究。结果表明,生物油中的固体颗粒物主要由焦炭颗粒、灰分和少量高分子有机物组成,其中,灰分主要包括多种金属元素和一定量SiO₂,有机物主要是具有木质素结构的低聚物。不同热解工艺的固体颗粒物样品特性也不同。循环流化床工艺制取的生物油中固体颗粒物含量较高。此外,固体颗粒物样品中的金属元素含量受到热解原料种类的影响。     

基于分子蒸馏的模拟生物油温和加氢研究

在固定床反应器上开展模拟生物油温和加氢实验,确定300℃/4 MPa为最佳工况,此条件下反应物除苯酚和愈创木酚外完全转化,液体产物选择性为85.0%,有效氢碳比从1.266提高到1.554,液体产物组成优化,酚类和酸类含量明显下降,反应活性明显改善,有利于后续催化裂化反应。     

Flash vacuum pyrolysis of methoxy-substituted lignin model compounds

The flash vacuum pyrolysis (FVP) of methoxy-substituted beta-O-4 lignin model compounds has been studied at 500 degrees C to provide mechanistic insight into the primary reaction pathways that occur under conditions of fast pyrolysis. FVP of PhCH(2)CH(2)OPh (PPE), a model of the dominant beta-O-4 linkage in lignin, proceeds by C-O and C-C cleavage, in a 37:1 ratio, to produce styrene plus phenol as the dominant products and minor amounts of toluene, bibenzyl, and benzaldehyde. From the deuterium isotope effect in the FVP of PhCD(2)CH(2)OPh, it was shown that C-O cleavage occurs by homolysis and by 1,2-elimination in a ratio of 1.4:1, respectively. Methoxy substituents enhance the homolysis of the beta-O-4 linkage, relative to PPE, in o-CH(3)O-C(6)H(4)OCH(2)CH(2)Ph (o-CH(3)O-PPE) and (o-CH(3)O)(2)-C(6)H(3)OCH(2)CH(2)Ph ((o-CH(3)O)(2)-PPE) by a factor of 7.4 and 21, respectively. The methoxy-substituted phenoxy radicals undergo a complex series of reactions, which are dominated by 1,5-, 1,6-, and 1,4-intramolecular hydrogen abstraction, rearrangement, and beta-scission reactions. In the FVP of o-CH(3)O-PPE, the dominant product, salicylaldehyde, forms from the methoxyphenoxy radical by a 1,5-hydrogen shift to form 2-hydroxyphenoxymethyl radical, 1,2-phenyl shift, and beta-scission of a hydrogen atom. The 2-hydroxyphenoxymethyl radical can also cleave to form formaldehyde and phenol in which the ratio of 1, 2-phenyl shift to beta-scission is ca. 4:1. In the FVP of o-CH(3)O-PPE and (o-CH(3)O)(2)-PPE, products (ca. 20 mol %) are also formed by C-O homolysis of the methoxy group. The resulting phenoxy radicals undergo 1,5- and 1,6-hydrogen shifts in a ratio of ca. 2:1 to the aliphatic or benzylic carbon, respectively, of the phenethyl chain. In the FVP of (o-CH(3)O)(2)-PPE, o-cresol was the dominant product. It was formed by decomposition of 2-hydroxy-3-hydroxymethylbenzaldehyde and 2-hydroxybenzyl alcohol, which are formed from a complex series of reactions from the 2, 6-dimethoxyphenoxy radical. The key step in this reaction sequence was the rapid 1,5-hydrogen shift from 2-hydroxy-3-methoxybenzyloxy radical to 2-hydroxymethyl-6-methoxyphenoxy radical before beta-scission of a hydrogen atom to give the substituted benzaldehyde. The 2-hydroxybenzyl alcohols rapidly decompose under the reaction conditions to o-benzoquinone methide and pick up hydrogen from the reactor walls to form o-cresol.     

生物油重质组分模型物热解行为及其动力学研究

采用TG-FT-IR在非等温条件下对生物油重质组分酚、醛和糖类模型代表物(丁香酚、香草醛、左旋葡聚糖)进行热解特性及其热解动力学分析。TG-DTG曲线和FT-IR测试数据显示,重质组分模型物热解的先后次序是酚类、醛类、糖类物质。香草醛、丁香酚均为一个主热解阶段,主要产物为水、烷烯烃、CO₂、CO和小分子酚、芳香醛。左旋葡聚糖热解分两阶段进行,热解发生在较高温区(180~370℃),主要热解产物有CO₂、烷烯烃、醛、酮和环醚,少量的CO和水。混合物热解分为三个阶段,产物与单一模型物热解产物相似,但有少量缩醛低聚物。对比单一组分,混合物中羰基和羟基组分在较高温区(≥300℃)存在相互作用,生成难分解的缩聚物。其中,糖类是影响重质组分热解速率的主要物质。根据热重数据对热解各阶段进行动力学拟合,确定了模型物热解反应动力学三因素。平均表观活化能和反应级数分别为:E_{左旋葡聚糖}第一、第二阶段分别为115.80 kJ/mol(0.5级)、141.19 kJ/mol(2/3级); E_混合物第一阶段为54.46 kJ/mol(1级)、第二阶段为50.67 kJ/mol(2/5级); E_丁香酚为42.29 kJ/mol(0.7级); E_香草醛为36.53 kJ/mol(0.95级)。     

Hydrogen production via steam reforming of bio-oil model compounds over supported nickel catalysts

The steam reforming of four bio-oil model compounds(acetic acid,ethanol,acetone and phenol) was investigated over Ni-based catalysts supported on Al2O3 modified by Mg,Ce or Co in this paper.The activation process can improve the catalytic activity with the change of high-valence Ni(Ni2O3,NiO) to low-valence Ni(Ni,NiO).Among these catalysts after activation,the Ce-Ni/Co catalyst showed the best catalytic activity for the steam reforming of all the four model compounds.After long-term experiment at 700°C and the S/C ratio of 9,the Ce-Ni/Co catalyst still maintained excellent stability for the steam reforming of the simulated bio-oil(mixed by the four compounds with the equal masses).With CaO calcinated from calcium acetate as CO2 sorbent,the catalytic steam reforming experiment combined with continuous in situ CO2 adsorption was performed.With the comparison of the case without the adding of CO2 sorbent,the hydrogen concentration was dramatically improved from 74.8% to 92.3%,with the CO2 concentration obviously decreased from 19.90% to 1.88%.