小球藻水热催化联产功能化碳材料过程反应特性研究
周清明
张敬苗
朱贤青
黄云
夏奡
朱恂
廖强
重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室,重庆 400044;重庆大学工程热物理研究所,重庆 400044
摘要：微藻水热碳化技术具有无需干燥高含水率微藻、反应溶剂绿色无污染、反应条件相对温和等优势,可用于制备碳点和水热炭等功能化碳材料,受到广泛研究关注.然而,目前微藻水热碳化制备的碳材料存在质量产率较低、性能较差的问题,需通过添加适宜的催化剂以提高碳材料的产率与品质.因此,研究了 H2SO4、CH3COOH、NaOH、Na2CO3等催化剂对蛋白核小球藻水热碳化制备碳点与水热炭的影响规律,并采用集总参数法建立了水热碳化过程中多相产物的生成反应动力学模型.研究结果表明,4种催化剂均能提高微藻碳点质量产率,其中NaOH可使碳点产率提高约73.3％.添加酸性催化剂使碳点尺寸变小,碳点平均粒径最小仅为1 nm;而在碱性条件下获得的碳点尺寸变化不明显,粒径主要集中在3.0～4.0 nm之间.在230 ℃和100 min条件下,CH3COOH作为水热催化剂制备的微藻碳点的荧光量子产率最高可达7.88％,并在340 nm的吸收波长激发下发射出波长为420 nm的最强发射荧光.元素分析表明,4种催化剂均降低碳点中的N元素含量,且均能提高水热炭的高位热值.催化剂对水热炭高位热值的提高效果由强到弱为H2SO4＞CH3COOH＞NaOH＞Na2CO3.热重分析发现,在水热碳化过程中,微藻碳水化合物的水解转化比蛋白质更快;添加CH3COOH可以促进蛋白质水解转化,而碱性催化剂不利于碳水化合物的水解转化,这4种催化剂对微藻脂质降解过程的影响均不明显.动力学分析发现,水热碳化过程中主要反应包括碳点聚合生成水热炭、微藻生物油的析出以及微藻降解生成其他相产物.碳点主要是通过其他相产物中的小分子聚合和微藻大分子裂解直接生成;在230℃、CH3COOH催化条件下,微藻碳点较难发生水解,且微藻生物油水解后难以发生逆向反应.
关键词：微藻水热碳化催化剂碳点水热炭反应动力学
分类号：X505(一般性问题)
资助基金：国家自然科学基金(52236009)国家自然科学基金(52106224)重庆市自然科学基金资助项目(cstc2021jcyj-msxmX0062)
论文发表日期：2024-04-28
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：14( 166-179 )
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