生物質富氮熱解聯產高值含氮油炭產品的機制研究

《生物質富氮熱解聯產高值含氮油炭產品的機制研究》是依託華中科技大學，由陳應泉擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：生物質富氮熱解聯產高值含氮油炭產品的機制研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：陳應泉
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

生物質熱解轉化為高值產品是生物質利用的重要發展方向，在熱解中引入外源氮素形成富氮熱解，具有製備高值含氮產品的潛力。本項目提出了一種生物質富氮熱解聯產高值含氮化學品與摻氮電極碳材的新工藝，系統的解析不同階段外源氮素在熱解產物中的遷徙轉化規律，研究生物質富氮熱解液體產物的析出與分布特性，構建富氮熱解條件下外源氮素與揮發分反應路徑，揭示熱解揮發分中含氮化學品的形成與調控機制；研究富氮熱解過程中焦炭孔隙特性與含氮官能團的演變規律，建立氮元素在碳基質中的遷徙轉化模型，揭示外源氮素與焦炭碳基質在複雜反應體系中構建摻氮電容結構的反應與調控機制；研究富氮熱解產物產量與品質的協同調控規律，揭示含氮化學品與摻氮電極焦形成反應的耦合作用機制，實現生物質富氮熱解聯產高值產品的目標。本項目的研究成果將有利於探索出一條高值轉化生物質的新途徑。

結題摘要

生物質熱解轉化為高值產品是生物質利用的重要發展方向，在熱解中引入外源氮素形成富氮熱解，具有製備高值含氮產品的潛力。為更好掌握生物質富氮熱解行為，本項目對計畫任務書進行了適當調整，首先從生物質自身氮素出發，考察了氮素存在形態及其在熱解中的遷移特性。進一步研究了外源負載有機氮尿素和無機氮NH3對生物質產物析出與分布特性的影響，掌握了引入足量氮素的調控機制，引入尿素能夠促進生物質熱解活性，導致更多的氮被固定，但其液體油產物中尿素分解物占比較多；氨氣氣氛下，焦炭和熱解油的固氮能力相對較弱，但熱解油中雜環氮物質較多。進一步研究了生物質富氮熱解產物的理化性質，掌握了熱解揮發分中含氮化學品的形成與調控機制，掌握了固體焦炭理化結構演變及摻氮電容結構形成調控機制，尿素浸漬下，熱解油主要富含醯胺類和含氮雜環物質，單N原子雜環氮含量隨浸漬濃度的增加而增加，熱解炭表面主要是一些C=N、C-N以及N-COO官能團，但隨著溫度的升高焦炭表面只保留有吡啶型N和吡咯型N；氨氣氛圍下，NH3高溫形成的NH2*和NH*自由基會與生物質熱解產生的含氧中間體反應生成胺基類物質，並在後續脫水、縮合及環化反應中形成含氧雜環類化合物，同時NH3、NH2*和NH*會與焦炭含氧官能團反應，生成大量的吡咯-N、吡啶-N等；兩種外源氮添加方式均能夠在焦炭中引入吡啶氮和吡咯氮，形成具有贗電容特性的焦結構。最後，探索了生物質氮素功能化調控的方法，協同製備了含氮液體化合物和摻氮焦電極材料。隨著NH3和KOH的引入，生物油中有大量含氮物質生成，而酚類、芳香類和含氧類物質驟減；生物焦的比表面積、含氮官能團都明顯增加。隨著KOH增加，生物焦比表面積急劇增加，最大值(BC-0.4-N)達1873 m2/g (9.1 wt.% N)，表現出優異比電容特性(187 F/g)。兩者的引入也促進了H2的形成，其含量超過50 vol.%。本項目研究取得了豐碩的成果，共發表論文18篇，其中SCI 14篇，申請專利10項，授權4項，項目的研究成果將有利於探索出一條高值轉化生物質的新途徑。