热液条件下CO2与H2反应产烃的实验研究

论文摘要

查明热液条件下CO2和H2能否发生费托合成反应形成烷烃，以及所形成烷烃产物的种类和需要的条件，对于认识地质环境中非生物成因的烷烃、评估地质环境中费托合成烃的潜在资源价值以及理解海底热液生命起源学说，具有十分重要的科学意义。本文首先分析了热液条件下CO2和H2形成烷烃反应的热力学特征。结果显示：在较大的温度和压强范围内，CO2和H2形成烷烃反应的吉布斯函数变小于零，反应是可行的，且以低温和高压条件最为有利；反应平衡时，产物以CH4为主，其它烷烃的含量较低。热液条件下，由CO2和H2合成烷烃反应的最关键问题是该反应存在动力学障碍，若没有合适的催化剂，该反应难以进行，因此，迫切需要选择合适的催化剂以使得反应进行，以及在反应非平衡状态下得到较高含量的多碳数烷烃。为此，本文在前人合成CH4、C2H6和C3H8的基础上开展实验工作，尝试合成其它的多碳数烷烃。实验在钛高压釜中于300℃、30MPa封闭条件下进行。实验中，以NaCl溶液模拟热液；以间接或直接的方式提供H2和潜在的催化剂；以13C标识的NaH13CO3经酸化提供CO2，用来对反应产物进行示踪和识别。以COCl2·6H2O、Fe和NaH13CO3为实验材料的同位素示踪实验结果显示，在85天的反应过程中，NaH13CO3水解产生的13CO2与Fe和H2O反应产生的H2发生反应，形成了C1～C5的烷烃。在以Fe、Fe-Co氧化物和NaH13CO3为实验材料的实验中，以及在以Fe和NaH13CO3为实验材料的实验中，均得到了由CO2和H2反应形成的C1～C5的烷烃。这些实验结果表明，只要存在合适的催化剂，热液条件下的CO2和H2不仅能够反应形成CH4、C2H6和C3H8，而且还能够反应形成C4H10和C5H12。以含Co磁铁矿（Co／Fe=1／3）、H2和NaH13CO3为实验材料的实验结果表明，在含Co磁铁矿的催化作用下，热液中的CO2和H2能够发生费托合成反应形成C1～C5的烷烃，并且，正构丙烷、丁烷和戊烷的含量符合Anderson-Schulz-Flory分布。矿物催化性能的对比分析表明，含Co磁铁矿中的Co是催化的活性中心，所以不同Co含量的含Co的磁铁矿应对反应形成C1～C5的烷烃具有催化作用。磁铁矿是常见的天然矿物，并且常常含有Co。因此，含Co的磁铁矿是继镍铁矿和铬铁矿之后被发现的又一费托合成的天然矿物催化剂，并且具有较强的链增长催化能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 第一节 费托合成简介
• 2 和 H₂ 的费托合成'>第二节 地质环境中 CO₂ 和 H₂的费托合成
• 第三节 热液费托合成研究现状
• 第四节 本研究工作
• 2 和 H₂ 反应生成烷烃的热力学依据和现实可行性'>第一章 热液条件下 CO₂ 和 H₂反应生成烷烃的热力学依据和现实可行性
• 第一节 反应的热力学依据:G 判据
• 第二节 反应的现实可行性:催化剂的作用
• 2 和 H₂ 反应合成丁烷和戊烷'>第二章 热液条件下 CO₂ 和 H₂反应合成丁烷和戊烷
• 第一节 实验材料和方法
• 第二节 实验结果
• 2 和 H₂ 反应形成丁烷和戊烷'>第三节 CO₂ 和 H₂反应形成丁烷和戊烷
• 第四节 反应的催化剂
• 第三章 Fe-Co 氧化物─Fe 对热液费托合成反应的催化作用
• 第一节 Fe-Co 氧化物制备
• 第二节 含 Co 磁铁矿─Fe 的催化实验
• 第三节 铁酸钴 ─Fe 的催化实验
• 第四节 讨论
• 第四章 Fe 对热液费托合成反应的催化作用
• 第一节 酸性条件下 Fe 的催化实验
• 第二节 近中性条件下 Fe 的催化实验
• 第三节 讨论
• 第五章 含 Co 磁铁矿对热液费托合成反应的催化作用及其地质意义
• 第一节 含 Co 磁铁矿的催化实验
• 第二节 含 Co 磁铁矿的催化作用
• 第三节 含 Co 磁铁矿催化费托合成反应的地质意义
• 结论
• 参考文献
• 已发表和待发表的论文
• 致谢