南昌大學王允圃等Applied Catalysis B: Environmental，廢油脂脈沖催化熱解：基于原料特性的CaO催化劑失活路徑探索

第一作者：吳秋浩、柯林垚

通訊作者：王允圃

通訊單位：南昌大學 食品學院 食品科學與技術國家重點實驗室/生物質轉化教育部工程研究中心

雜志：Applied Catalysis B: Environmental（Q1,?影響因子19.503）

DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120968

圖文摘要

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在本文中，南昌大學食品學院生物質轉化教育部工程研究中心王允圃等利用脈沖熱解新技術，對廢油脂、硬脂酸、油酸及亞油酸催化熱解過程中CaO失活路徑進行了探索。不同于常規熱解技術，脈沖熱解可模擬連續工業生產過程，并可對催化劑活性進行實時在線監測。研究結果表明硬脂酸、油酸及亞油酸脈沖熱解過程中CaO失活速率較廢油脂脈沖熱解過程慢，在暫停進料10小時后，硬脂酸、油酸及亞油酸脈沖熱解失活后的CaO催化活性均得到不同程度的恢復，結合催化劑的熱重（TG）、傅里葉變換紅外（FT-IR）、X射線衍射儀（XRD）、掃描電鏡（SEM）、粒徑等表征分析，得出晶相變化和團聚是影響CaO催化劑穩定性的重要原因。該項工作對食品工業廢油脂脈沖催化熱解增值產業化應用具有重要意義。

背景介紹

CaO具有制備簡單、來源廣泛等優點，但在生物質催化熱解中其快速失活是限制工業化應用的瓶頸，若能揭示CaO的失活途徑，對CaO定向改性，延長使用壽命具有重要的指導意義。脈沖熱解技術不僅可對連續工業生產過程進行高度模擬，還可對催化劑活性進行實時在線監測，是一種高效精準的催化劑失活路徑探索手段。本文以廢油脂、硬脂酸、油酸及亞油酸為原料，采用脈沖催化熱解新技術，基于原料特性探索了CaO催化劑失活的路徑。

圖文導讀

首先，團隊對CaO催化廢油脂、硬脂酸、油酸、亞油酸50次脈沖熱解過程中有機產物含量變化進行了研究（圖1-4）。研究發現廢油脂脈沖熱解過程中，CaO催化劑在7次脈沖熱解后已完全失活，且在隨后的10小時暫停進料后，催化劑活性沒有顯著恢復；而三種游離脂肪酸熱解過程中，CaO催化劑失活速率較慢，且在10小時暫停進料后，催化劑活性顯著恢復。

圖1. CaO催化廢油脂50次脈沖熱解過程中有機產物含量變化

圖2. CaO催化硬脂酸50次脈沖熱解過程中有機產物含量變化

圖3. CaO催化油酸50次脈沖熱解過程中有機產物含量變化

圖4. CaO催化亞油酸50次脈沖熱解過程中有機產物含量變化

為探究CaO催化劑失活路徑，團隊對脈沖熱解50次后的催化劑進行了表征分析。粒徑分析表明，失活催化劑的中值粒徑（D50）較新鮮催化劑均變大，表明失活催化劑中發生了團聚。亞油酸脈沖熱解50次后的CaO催化劑（LA-CaO）團聚最為顯著，油酸脈沖熱解50次后的CaO催化劑（OA-CaO）團聚程度次之。這也表現為催化劑在暫停進料10小時后，LA-CaO和OA-CaO催化劑活性無法恢復到初始活性。廢油脂脈沖熱解過程中，CaO催化劑活性無法恢復可能存在其他影響因素。

表1?新鮮和脈沖熱解50次后的CaO催化劑粒徑分析

XRD分析表明，新鮮CaO催化劑的主要晶相組成為CaO，而失活催化劑中出現Ca(OH)₂和CaCO₃。

圖5. 新鮮和脈沖熱解50次后的CaO催化劑XRD分析

采用TG分析對新鮮和脈沖熱解50次后的CaO催化劑中Ca(OH)₂和CaCO₃含量進行計算，發現廢油脂脈沖熱解50次后的CaO催化劑中Ca(OH)₂含量達到72.60%。三種游離脂肪酸脈沖熱解50次后的CaO催化劑中Ca(OH)₂含量均未超過30%，但CaCO₃含量高于廢油脂脈沖熱解50次后的CaO催化劑，最高為26.55%。表明，Ca(OH)₂的快速生成是廢油脂熱解過程中CaO失活的主要原因。

圖6. 新鮮和脈沖熱解50次后的CaO催化劑TG分析

表2 新鮮和脈沖熱解50次后的CaO催化劑晶相組成

通訊作者介紹

王允圃，男，博士，南昌大學食品學院研究員、博導、食品發酵與生物工程系副主任。中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽優秀導師，江西省主要學科學術和技術帶頭人培養計劃（青年人才）入選者，江西省杰出青年基金入選者，中央引導地方國家自然科學基金優青培育計劃入選者，南昌大學香樟俊才，青年崗位能手。主要從事食品加工廢物微波熱化學轉化制取液體燃料和高附加值化學品的研究工作。近5年，主持國家級項目3項，省級項目5項，橫向項目2項。第一作者/通訊作者發表SCI論文56篇（一區/Top 36篇，ESI高被引2篇，總被引頻次2852，H指數32），IF>9的論文23篇，5<IF<9的論文20篇，單篇影響因子最高為19.503；獲得已授權發明專利35件（第一發明人18件）。第一指導老師指導學生獲得互聯網+、挑戰杯學科競賽共計國家級獎12項（其中互聯網+國家金獎3項，“挑戰杯國家金獎1項，挑戰杯國家二等獎及以上3項），省級獎21項（省金獎、省特等及一等獎10項），獲得江西省教學成果獎二等獎1項（第一完成人）。

第一作者介紹

吳秋浩，南昌大學食品科學與工程專業博士研究生，主要從事生物質催化熱解研究，近5年第一作者發表SCI論文8篇。

柯林垚，南昌大學食品科學與工程專業碩士研究生，主要從事生物質催化熱解研究，近3年發表SCI論文11篇。

文章鏈接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337321010936