硅藻土铜铝水滑石复合催化LDPE热解研究

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硅藻土是单细胞生物硅藻死亡后堆积而形成的沉积岩,主要成分为无定型的二氧化硅,具有独特多孔结构,而且表面有很多羟基和氢键,性能优异。水滑石化合物(Layered double hydroxide compounds,简称LDH)是一种新型的层状无机功能材料,具有优异的性能,如酸碱性,层间阴离子可交换性等。本文以硅藻土,硝酸铜等为原材料,采用水热法制备了硅藻土Cu/Al-LDH复合物(DI-LDH),改性DI-LDH(SDI-LDH);研究了DI-LDH的最佳合成工艺,通过X射线衍射(XRD),热重(TG-DTA),傅里叶变换红外光谱(FTIR),扫描电子显微镜(SEM)和N2吸附解吸(BET)对DI-LDH的结构进行了表征;在此基础上,研究反应温度,反应时间,实验环境和催化剂含量对硅藻土,Cu/Al-LDH,DI-LDH和SDI-LDH催化低密度聚乙烯(LDPE)热解的影响,通过TG-DTA,热重-红外联用(TG-FTIR),X射线光电子能谱分析(XPS),烟气分析仪和锥形量热表征LDPE热解过程。研究内容如下:(1)通过水热法可以制备较高结晶度的DI-LDH,DI-LDH的最佳合成工艺为,反应温度为110℃,反应时间为12 h,硅藻土,硝酸铜和硝酸铝的最佳摩尔比为1:2:1.667。DI-LDH中的硅藻土和Cu/Al-LDH通过硅醇健官能团链接在一起。DI-LDH同时保留了Cu/Al-LDH的层状结构和硅藻土的多孔结构,DI-LDH的孔径比Cu/Al-LDH提高了16%。DI-LDH低温时的耐热性能低于Cu/Al-LDH的,高温时候的耐热性能高于Cu/Al-LDH。(2)以LDPE为原材料,硅藻土,Cu/Al-LDH,DI-LDH和SDI-LDH为催化剂,制备了LDPE混合板。空气氛围下,LDPE/SDI-LDH和LDPE/DI在350℃的转化率为97%和96%,最大降解温度分别为457℃和440℃;LDPE/DI-LDH在400℃的转化率为97%,最大热解温度为449℃;LDPE/LDH在500℃的转化率为99%,最大热解温度为468℃。SDI-LDH和硅藻土对降低LDPE热解温度的催化性能最佳,DI-LDH有一定催化性能,Cu/Al-LDH不影响LDPE热解温度。在反应温度为350℃,DI-LDH的最佳的催化剂含量为4%。延长一定的热解反应时间有助于LDPE热解转化率的提高,当反应时间达到2 h后,LDPE热解转化率不随反应时间的延长而增加且保持恒定。空气氛围更有助于LDPE的热解。提高反应温度,有助于LDPE热解。(3)通过烟气分析仪测量LDPE在硅藻土,Cu/Al-LDH和DI-LDH催化热解时释放的CO,CO2和CH4含量。Cu/Al-LDH有助于降低CO的释放量,在最高峰值对比降低了35%,硅藻土催化LDPE热解时会释放大量的CO和CO2,DI-LDH可以有效降低CO释放量,最高峰值对比降低30%,同时可以降低CO2释放量,最高峰值处降低了15%,提高CH4的释放量,从以上结果可以知道DI-LDH可以有效降低LDPE热解时CO和CO2的释放量,催化性能最佳。
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