甲烷和氮气一步法合成氨催化剂的制备及催化性能研究

【摘要】：本文从我国天然气合成氨现状出发,以简化操作设备、减少投资、降低污染、提高甲烷中C的利用价值为目的,开展了用天然气和氮气直接合成氨的研究。 本文尝试用不同方法处理活性炭(AC1、HAC1和HTAC1)和分子筛,并以其为载体制备了负载的Fe基催化剂(Fe/HAC1、Fe/HZSM-5)和Mo基催化剂(Mo/HAC1、Mo/HZSM-5)。利用N_2物理吸附、X射线衍射仪(XRD)、X射线能谱仪(EDS)、扫描电镜(SEM)、红外(IR)、程序升温技术等对载体和催化剂进行了表征,并将载体本身和所制备的催化剂用于甲烷和氮气直接合成氨中。讨论了载体本身和所制备催化剂的催化活性和稳定性;利用气相色谱对其尾气成分进行在线分析。结果表明:甲烷氮气在合适催化剂的作用下能直接发生反应,反应的产物包括乙烷、乙烯、萘、氢气、氨、积炭等。并且不同处理的活性炭本身均表现出一定的甲烷催化转化活性和合成氨催化活性,但其活性随改性方法的不同存在明显的差异。将其用作载体负载活性组分Fe后,合成氨活性显著增强。负载活性组分Mo后,合成氨活性较活性炭本身的催化活性有一定程度的降低。分子筛本身和以其为载体制备的Fe基和Mo基催化剂(Mo/HZSM-5、Fe/HZSM-5)也都表现出一定的甲烷催化转化活性,但是不管分子筛本身,还是以其为载体制备的催化剂均没有合成氨活性。 【关键词】：活性炭 分子筛 甲烷 氮气 合成氨
【学位授予单位】：新疆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TQ426.94;TQ113.2
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-26
• 1.1 引言8-9
• 1.2 传统合成氨方法9-14
• 1.2.1 哈伯(Haber)合成氨方法9
• 1.2.2 哈伯(Haber)合成氨方法中使用的催化剂9-14
• 1.2.2.1 传统熔铁催化剂9-11
• 1.2.2.2 钌基催化剂11
• 1.2.2.3 FeO 基催化剂11-13
• 1.2.2.4 其他催化剂13-14
• 1.3 合成氨新技术14-17
• 1.3.1 光催化合成氨14-15
• 1.3.2 电催化常压合成氨15-16
• 1.3.3 酶催化室温合成氨16-17
• 1.4 甲烷转化技术17-22
• 1.4.1 甲烷催化裂解制氢气18-19
• 1.4.2 甲烷制备低碳烯烃19-20
• 1.4.3 甲烷直接转化制甲醇20
• 1.4.4 甲烷芳构化20-21
• 1.4.5 甲烷水蒸气重整制备合成气21-22
• 1.5 以天然气和氮气为原料合成氨的分析22-24
• 1.6 选题意义与研究内容24-26
• 1.6.1 选题意义24-25
• 1.6.2 研究内容25-26
• 第二章 载体的改性及在甲烷氮气直接合成氨中的应用26-43
• 2.1 引言26-28
• 2.2 实验部分28-32
• 2.2.1 实验仪器设备及试剂28-29
• 2.2.2 载体的改性29-30
• 2.2.2.1 煤质活性炭的改性29-30
• 2.2.2.2 分子筛的改性30
• 2.2.3 催化剂的表征30-31
• 2.2.3.1 比表面积及孔结构测定30
• 2.2.3.2 物相表征30
• 2.2.3.3 扫描电镜SEM30
• 2.2.3.4 NH_3-TPD 表征30-31
• 2.2.3.5 FT-IR 表征31
• 2.2.4 催化剂的活性评价31-32
• 2.3 结果与讨论32-41
• 2.3.1 催化剂的表征32-35
• 2.3.2 催化剂的催化性能测试35-38
• 2.3.3 催化剂的稳定性测试38-41
• 2.4 结论41-43
• 第三章 Fe/AC 和Fe/HZSM-5 催化剂的制备及在甲烷氮气直接合成氨中的催化性能43-54
• 3.1 引言43-44
• 3.2 实验部分44-46
• 3.2.1 实验仪器设备及试剂44
• 3.2.2 催化剂的制备44-45
• 3.2.3 催化剂的表征45
• 3.2.3.1 比表面积及孔结构测定45
• 3.2.3.2 物相表征45
• 3.2.3.3 扫描电镜SEM45
• 3.2.3.4 H_2-TPR 表征45
• 3.2.4 催化剂的活性评价45-46
• 3.3 结果与讨论46-53
• 3.3.1 催化剂Fe/HAC1 的催化性能46-48
• 3.3.2 不同甲烷氮气比对反应的影响48
• 3.3.3 催化剂Fe/HAC1 的稳定性测试48-49
• 3.3.4 不同Fe 负载量对催化剂Fe/HAC1 催化性能的影响49-50
• 3.3.5 Fe/HZSM-5 催化剂催化性能50-53
• 3.4 结论53-54
• 第四章 Mo/AC 和Mo/HZSM-5 催化剂的制备及在甲烷氮气直接合成氨中的催化性能54-63
• 4.1 引言54-55
• 4.2 实验部分55-57
• 4.2.1 实验仪器设备及试剂55
• 4.2.2 催化剂的制备55-56
• 4.2.3 催化剂的表征56
• 4.2.3.1 比表面积及孔结构测定56
• 4.2.3.2 物相表征56
• 4.2.3.3 扫描电镜SEM56
• 4.2.3.4 H_2-TPR 表征56
• 4.2.4 催化剂的活性评价56-57
• 4.3 结果与讨论57-62
• 4.3.1 温度对催化剂活性的影响57-58
• 4.3.2 不同的甲烷氮气比对反应的影响58-59
• 4.3.3 催化剂的稳定性测试59-62
• 4.4 结论62-63
• 第五章 水蒸气的引入对催化剂活性及稳定性的影响63-69
• 5.1 引言63-64
• 5.2 实验部分64-65
• 5.2.1 实验仪器设备及试剂64-65
• 5.2.2 催化剂的制备65
• 5.2.3 催化剂的活性评价65
• 5.3 结果与讨论65-68
• 5.3.1 水蒸气的引入对催化剂活性及尾气组成的影响65-66
• 5.3.2 水蒸气的引入对稳定性的影响66-68
• 5.4 结论68-69
• 第六章 结论及展望69-71
• 6.1 结论69-70
• 6.2 展望70-71
• 参考文献71-79
• 论文发表情况79-80
• 致谢80

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