本文報道了一種利用沸石負載的鐵-鉬碳化物(Fe-Mo?C/ZSM-5)納米催化劑,將食物廢棄物通過水熱液化(HTL)生成的生物原油升級為可持續航空燃料(SAF)前驅體的創新方法。研究團隊通過催化加氫脫氧(HDO)實現了生物原油中氧的完全脫除,并使其高熱值(HHV)達到46.5 MJ/kg,與Jet A航空燃料(46.1 MJ/kg)相當。蒸餾切割(150°C至230°C)的平均碳數為10.6,接近傳統航空燃料的11.4。此外,升級后的燃料在表面張力、黏度、閃點、冰點等關鍵性能指標上均符合SAF標準。該催化劑在多次循環使用后仍保持高活性,為生物質能源的高效轉化提供了新思路。
1 科學問題生物原油的氧含量問題:生物原油中高達6.74 wt%的氧會導致燃料腐蝕性增強、密度和黏度升高,不符合航空燃料標準。 碳鏈長度調控:航空燃料的理想碳鏈長度為C8-C16,而生物原油的分子量分布較寬(平均碳數差異大)。 催化劑穩定性:傳統貴金屬催化劑成本高且易失活,亟需開發高效、廉價且可重復使用的非貴金屬催化劑。 2 研究方案催化劑設計與合成催化劑組成:采用沸石ZSM-5負載的Fe-Mo?C納米顆粒(Fe含量5 wt%),通過600°C碳化法制備。 結構表征:XRD和STEM證實Mo?C納米顆粒尺寸為3 nm,均勻分散于ZSM-5載體上,Fe的引入抑制了Mo?C晶粒長大。 生物原油升級工藝反應條件:在400°C、1500 psi H?壓力下反應2小時,催化劑與生物原油質量比為6:100。 產物分析:通過元素分析、TGA、MALDI-TOF-MS和GC×GC等手段評估燃料性能。 SAF前驅體篩選蒸餾切割:選擇150°C至230°C餾分,平均碳數10.6,以控制冰點和閃點。 性能測試:通過Tier beta預篩測試驗證燃料的密度(0.783 g/ml)、黏度(-20°C時為4-8 cSt)、冰點(<-40°C)等指標符合標準。 3 結論主要成果高效脫氧:Fe-Mo?C/ZSM-5催化劑實現了生物原油中氧的完全脫除(從6.74 wt%降至0 wt%),H/C比提升至1.96。 燃料性能優化:升級后燃料的HHV達46.5 MJ/kg,分子量分布集中于C8-C16(占59.4 wt%),與傳統航空燃料(62.1 wt%)接近。 催化劑穩定性:三次循環使用后,催化劑仍保持100%脫氧活性,且Mo?C納米結構未發生明顯燒結。 不足與展望經濟性優化:當前SAF前驅體產率為56 wt%,需進一步提高原料利用率。 碳分布調控:升級油呈現雙峰碳分布(C8和C18),需開發后續異構化工藝以匹配航空燃料的單峰分布需求。 規模化挑戰:需驗證催化劑在連續流動反應器中的長期穩定性及工業化可行性。 |