碱土金属氧化物耦合HZSM-5催化热解典型城市固体废弃物的研究

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热解处理城市固体废弃物符合绿色低碳的发展理念,是实现能源转型的重要途径,对降低环境风险、实现全球碳中和及推进人类命运共同体的可持续发展具有重要意义。但直接热解生成的热解油往往含氧量高、组分复杂,限制了城市固废热解处理的应用。为提高热解油的品质,拓展城市固废热解处理的应用,合适的催化剂亟待开发。碱土金属氧化物和HZSM-5分子筛在城市固体废弃物的催化热解中得到广泛应用,但其联合催化的效果和机理尚不明晰。针对于此,本文以典型城市固体废弃物的热解为例,评估了碱土金属氧化物耦合HZSM-5的催化效果,并研究分析了其催化机理。具体地,本文首先考察了反应条件对废弃棉纺织物和聚苯乙烯共混物催化共热解的影响。在固定床反应器中研究了热解温度、原料之间的比例、催化剂之间的比例、催化剂和原料的比例对共混物催化共热解的影响。研究表明,在CaO/HZSM-5和MgO/HZSM-5反应体系中,热解油的产率均在550℃时达到最大值。同时,研究发现废弃棉纺织物和聚苯乙烯之间存在显著的协同效应,聚苯乙烯的添加可以改善热解油的品质。当聚苯乙烯和废弃棉纺织物的比例为1:1时,CaO/HZSM-5和MgO/HZSM-5热解油中芳香族C的实际含量比理论值分别高出了23.9%和23.79%,脂肪族C-O的实际含量比理论值分别低了22.73%和22.02%。此外,与碱土金属氧化物或HZSM-5的单独催化热解相比,耦合催化剂显著提高了热解油的品质。在热解过程中,碱土金属氧化物催化裂解大分子化合物,减少含氧化合物,形成了烃类前驱体;然后在HZSM-5作用下将这些烃类前驱体催化转化为芳烃。另外,与CaO/HZSM-5相比,MgO/HZSM-5在提高热解油品质方面展现出更好的催化性能。在催化剂比例的研究中,MgO和HZSM-5的比例为1:1时,热解油的品质最佳。进一步地,本文讨论了碱土金属氧化物前驱体种类对CaO/HZSM-5和MgO/HZSM-5作用下木屑和聚苯乙烯共热解过程的影响。对于CaO/HZSM-5反应体系,在L-乳酸钙制备的CaO(CL-CaO)和HZSM-5作用下,热解油的品质最佳,其中芳香族C-C的含量达到了71.17%,含氧官能团的含量仅为13.23%。与此同时,氧化镁前驱体种类的变化对MgO/HZSM-5热解油组成的影响较小。此外,对于CaO/HZSM-5反应体系,CL-CaO/HZSM-5在降低反应活化能方面具有更好的效果;对于MgO/HZSM-5反应体系,碳酸镁制备的MgO(MC-MgO)和HZSM-5作用下的共混物热解活化能最低。最后,采用CaO/HZSM-5和MgO/HZSM-5双催化剂研究了HZSM-5的SiO2/Al2O3比对木屑和聚苯乙烯共热解过程的影响。对于CaO/HZSM-5反应体系,在SiO2/Al2O3比为18的HZSM-5(18-HZSM-5)和CaO作用下,热解油中芳香族C-C的含量最高,含氧官能团的含量最低,分别为71.34%和13.07%;在SiO2/Al2O3比为80的HZSM-5(80-HZSM-5)和CaO作用下,热解油中芳香族C-C的含量最少,含氧官能团的含量最多,分别为56.13%和21.63%。另外,我们在MgO/HZSM-5催化的反应体系中也得到了相似的结论,这可能与HZSM-5的微观结构和表面酸性位点的分布有关。此外,数据表明,对于CaO/HZSM-5反应体系,在CaO/18-HZSM-5作用下,木屑和PS的转化率最高,表观活化能最低;对于MgO/HZSM-5反应体系,在SiO2/Al2O3比为200的HZSM-5(200-HZSM-5)和MgO作用下,木屑和聚苯乙烯共混物的活化能最低。
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