煤和大港减压渣油的光催化氧化解聚

论文摘要

重质碳资源的高效洁净利用是解决我国能源问题的重要途径,解析和了解其结构是实现其成功解聚和有效利用的重要前提。光催化氧化法对煤和大港减压渣油的解聚能从分子角度,选择性的、非破坏性的分析煤和重油的结构特征,从而为此类重质碳资源的高效洁净利用和成功转化提供重要依据。神府煤、葛亭煤、锡林浩特煤、霍林浩特煤等因成煤时间的差异而具有不同的分子结构,它们也是中国现存煤种的典型代表。采用固相混合开放体系、非均相水合悬浮开放体系和非均相混合密闭体系分别对煤炭进行了光催化氧化,并用丙酮或甲醇萃取分离和GC/MS等方法分析后得知:不同体系的光氧化反应均能使得煤炭得到氧化解聚,只是不同体系的氧化效果不甚相同,不同煤种的氧化程度也不尽相同。与原煤相比,氧化煤中稠环芳烃和支链烷烃中的甲基、亚甲基能够被光催化氧化产生的羟基自由基优先氧化;形成的羟基化合物会进一步氧化而不同程度的解聚,氧化的最终产物为二氧化碳和水,乙酸是反应过程中重要的水溶性中间产物;氧化煤中的酯类、酮类、环氧化合物等含氧化合物的比例明显增加;芳环化合物的比例大量减少;长链烷烃的碳链能在光催化氧化下不同程度的降碳解聚。光催化氧化也能显著改变煤炭的萃取率。大港减压残渣作为一种重质油,其丰富的有机物含量足以让人们对其开发充满期待,但是它的成功解析和有效转化与煤炭类似,一直是一个期待解决的瓶颈问题。为了充分说明光催化氧化对大港减渣的氧化效果,大港减渣的环己烷溶液在非均相体系中进行了13 h的光催化氧化。GC/MS和FTIR分析显示,光催化氧化能使大港减压残渣成功转化。转化后的环己烷溶液中发现了大量的含氧化合物（相对含量92.94%）,其中包括36.05%的羧酸类化合物、14.56%的酯类化合物（特别是草酸酯类化合物）和19.12%的环氧化合物;原样中70%的正构烷烃含量氧化后降低至不足30%,直链烷烃的碳链也被不同程度的解聚。为了解光催化氧化煤炭和大港减压渣油的解聚机理,通过对苯、甲苯、二甲苯、苯酚、萘系列化合物以及石蜡等模型化合物进行光催化氧化发现:羟基氧化是光催化氧化的主要途径;光催化氧化下形成的电子-空穴对对催化剂表面的水或有机物的氧化,会导致羟基自由基的形成;羟基取代大分子中的活性氢（主要是α-H）会形成仲醇、伯醇或酚,醇分子内或分子间脱水生成不饱和化合物或环氧化合物;醇类化合物也会进一步氧化形成醛、酸、酯;羧基化合物的脱羧会得到降碳解聚产物;部分环状烃在羟基的氧化下会发生开环反应。提高光催化氧化对煤和大港减压渣油的解聚效果是实现此技术实际应用的根本。本文利用煤特殊的组成,制备了掺煤的二氧化钛光催化剂。XRD和BET等技术的表征和解聚煤和大港减压渣油的应用表明:自制的掺杂光催化具有较强的光催化活性,可用作解聚内容物较为复杂的大分子有机体。优选和表征也发现掺神府煤12wt%的二氧化钛活性最高。它是一种疏松双孔径结构的锐钛型纳米颗粒,具有很强的吸附性能,作为催化剂对大港重油和煤炭的光催化氧化达到了很好的解聚效果。扩大实验样品的用量时（即小试实验）也能获得同样的氧化效果。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 图清单
• 表清单
• 1 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 煤和重油的氧化研究进展
• 1.3 光催化氧化的研究进展
• 1.4 研究主要内容和意义
• 2 实验部分
• 2.1 仪器与设备
• 2.2 样品及试剂
• 2.3 实验的分析方法
• 2.4 实验方法和步骤
• 3 固相混合开放体系下煤炭的光催化氧化
• 3.1 固相混合开放体系下煤炭的光催化氧化
• 3.2 本章结论
• 4 神府煤和锡林浩特煤非均相悬浮开放体系下的光催化氧 化
• 4.1 非均相悬浮开放体系下光氧化效果分析
• 4.2 本章结论
• 5 光催化氧化对大港减压渣油的解聚
• 5.1 环己烷的光催化氧化
• 5.2 大港减渣的非均相光催化氧化
• 5.3 本章结论
• 6 掺煤光催化剂的制备、表征及对大港减渣的解聚
• 6.1 催化剂的优选
• 6.2 催化剂的表征
• 6.3 大港减压残渣的光氧化解聚
• 6.4 本章结论
• 7 煤炭非均相封闭悬浮体系下的光催化氧化
• 7.1 神府烟煤的光催化氧化及 GC/MS 分析
• 7.2 葛亭煤的光催化氧化
• 7.3 锡林浩特煤的光催化氧化
• 7.4 霍林郭勒煤的光催化氧化
• 7.5 煤氧化样品中乙醚可溶组分的成分分析
• 7.6 光催化氧化对煤样萃取率的影响
• 7.7 本章小结
• 8 模型化合物的光催化氧化
• 8.1 光催化氧化的基本原理
• 8.2 模型化合物的光催化氧化解聚
• 8.3 本章小结
• 9 主要结论和创新点
• 9.1 主要结论
• 9.2 创新点
• 参考文献
• 作者简历
• 附录
• 学位论文数据集