CuO/CoO/CeO2/HZSM-5杂化催化剂合成策略对污泥与软木共催化热解生物油产率与品质的影响研究

针对污泥热解生物油品质差、含氧量高的问题，研究人员开展污泥与软木催化共热解研究，采用共浸渍(CI)与顺序浸渍(SI)法制备CuO/CoO/CeO2/HZSM-5杂化催化剂。结果表明SI法制备催化剂具有更高金属分散度和比表面积(205.78 m2/g)，显著提升热解转化率(66%)和气体产率(42.6 wt%)，CI法则获得更高芳香烃含量(34.31%)的生物油，为废弃物资源化转化催化剂设计提供新策略。

　　

随着城市化进程加速，污水处理厂产生的污泥量急剧增加，传统填埋、焚烧等处理方式面临环境约束和土地资源限制的双重压力。污泥中含有大量有机物和有害物质，如何实现其资源化利用成为环境工程领域的焦点。热解技术可将污泥转化为生物油、合成气和生物炭，但污泥单独热解获得的生物油存在含氧量高、热值低、腐蚀性强等缺陷。通过与软木等木质纤维素生物质共热解，可改善原料氢碳比，稀释氮硫杂质，但产物品质仍需进一步提升。

催化热解通过引入催化剂促进脱氧、脱羧和芳构化反应，是提高生物油品质的有效手段。HZSM-5分子筛因其独特的孔道结构和酸性特征被广泛应用，但纯HZSM-5在复杂组分热解过程中易积碳失活。近年来，金属氧化物改性HZSM-5催化剂展现出优异性能，其中CuO具脱氧活性，CoO促进芳构化，CeO₂提供氧空位抑制积碳。然而催化剂合成方法对金属分散度、孔道结构和催化性能具有决定性影响，该领域尚未形成系统研究体系。

为此，研究人员在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表论文，系统比较共浸渍(CI)与顺序浸渍(SI)两种方法制备的CuO/CoO/CeO₂/HZSM-5杂化催化剂在污泥-软木共热解中的性能差异。研究通过X射线衍射(XRD)、氮气吸附-脱附(BET)、扫描电镜-能谱(SEM-EDS)和热重分析(TGA)对催化剂进行表征，并在固定床反应器中开展500°C催化热解实验，采用气相色谱-质谱联用(GC-MS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析生物油组成。

关键技术方法包括：采用南非约翰内斯堡市政污水处理厂的微藻富集污泥和德班生物精炼厂的软木作为原料；通过CI法同步浸渍和SI法分步浸渍（Cu→Co→Ce序列）制备催化剂；使用固定床反应器在500°C、氮气氛围下进行热解；通过元素分析、GC-MS和FTIR表征产物特性。

XRD分析显示两种方法均成功将金属氧化物引入HZSM-5骨架，保留MFI晶体结构。SI催化剂显示更明显的CeO₂萤石相和CuO单斜相结晶峰，表明更完整的金属氧化物形成。BET结果表明SI催化剂具有更高比表面积(205.78 m2/g)和孔容(0.06 cm3/g)，说明顺序浸渍更好保持沸石纹理特性。SEM-EDS显示SI催化剂表面金属分布更均匀，CI催化剂存在明显团聚现象。TGA分析表明SI催化剂具有更优热稳定性，硝酸盐分解过程更平缓。

热解产物分布显示：非催化共热解生物油产率24.9 wt%，气体36.2 wt%，生物炭38.9 wt%；CI催化使气体产率提升至41.6 wt%，生物炭降至35.2 wt%；SI催化进一步将气体产率提高至42.6 wt%，生物炭降至34.0 wt%。SI催化剂获得最高原料转化率(66%)，显著高于CI催化剂(64.8%)和非催化系统(61.1%)。

生物油元素分析表明：非催化系统生物油具有最高碳含量(68.97 wt%)和热值(32.29 MJ/kg)；CI催化生物油碳含量降至65.01 wt%，热值28.61 MJ/kg；SI催化生物油碳含量进一步降至60.92 wt%，热值26.21 MJ/kg。值得注意的是催化系统生物油氧含量反而高于非催化系统，CI为26.18 wt%，SI为31.52 wt%，非催化仅为21.11 wt%，表明催化过程可能促进了轻质含氧化合物的形成和保留。

GC-MS分析揭示生物油组成变化：非催化生物油中酸类占比70.7%，芳香烃仅9.71%；CI催化使酸类降至50.11%，芳香烃显著增加至34.31%，其中酚类占芳香烃总量的60%；SI催化进一步将酸类降至59.16%，芳香烃含量21.23%，但酚类占比提高至78.7%，同时脂肪烃含量提升至11.92%。FTIR光谱证实催化处理后羟基和羰基特征峰强度减弱，芳香C=C振动增强，特别是CI催化剂表现出更显著的芳构化特征。

研究结论表明催化剂合成方法显著影响催化剂结构和催化性能：SI法通过分步锚定金属前体实现更好分散性和纹理特性，促进裂解反应提高气体产率；CI法虽金属分散稍差，但更好促进脱氧和芳构化反应，获得更高芳香烃含量的生物油。两种方法在脱氮方面均表现良好，SI催化剂使生物油氮含量降至1%。讨论部分指出催化生物油热值降低与轻质含氧化合物形成有关，酚类物质的持久存在与原料中木质素和蛋白质组分特性相关，而非特定CuO活化途径主导。

该研究为多金属氧化物-沸石杂化催化剂设计提供了重要指导，证明合成策略对催化剂结构和性能具有决定性影响。SI法适合追求高转化率和气体产率的应用场景，CI法则更适合生产芳香烃含量高的生物油。研究成果对实现污泥高效资源化利用、推动废弃物转化为高附加值生物燃料具有重要意义，为开发高效热解催化剂提供了理论依据和技术支撑。