基于ZrO2负载催化剂与异丙醇溶剂的热解油一步加氢提质制备替代燃料研究

针对生物质热解油高氧含量导致的燃料性能缺陷，研究人员创新性地采用异丙醇(IPA)作为氢供体溶剂，系统评估NiMo/ZrO2等催化剂在一步加氢提质中的性能。研究发现NiMo/ZrO2在500 psi条件下可实现89.6%脱氧率，提升热值至31.2 MJ/kg，且催化剂经三次循环仍保持活性。该研究为降低生物燃料生产成本提供了非贵金属催化剂解决方案。

　　

随着全球能源需求激增和化石燃料环境问题凸显，生物质能作为碳中性可再生能源备受关注。然而，传统生物质利用方式效率低下，热解油虽具潜力却因高氧含量（含醛、酮、酚等含氧化合物）、低热值（17.4 MJ/kg）和强腐蚀性难以直接应用。现有两步法加氢工艺（先稳定化后深度脱氧）虽有效但成本高昂，且依赖钌(Ru)等贵金属催化剂。更棘手的是，氧化铝(Al₂O₃)载体易吸水失活，而碳载体又难以再生。美国农业部农业研究服务署(USDA-ARS)联合阿拉巴马农业实验站的研究团队另辟蹊径，开发出以异丙醇(IPA)为氢供体溶剂、ZrO₂负载镍钼(NiMo)催化剂的一步法加氢新工艺，相关成果发表于《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》。

研究团队采用氮气吸附(BET)、程序升温还原(TPR)等技术表征催化剂，通过高压反应釜进行松木热解油加氢实验，结合热重分析(TGA)评估积碳，并利用模拟蒸馏分析产物分布。关键参数包括氢压(500/1000 psi)、溶剂类型(IPA/甘油)和五种催化剂(NiMo/ZrO₂、CoMo/ZrO₂等)的系统对比。

材料与方法

研究选用松木热解油（含43.9%碳、17.4 MJ/kg热值）为原料，通过浸渍法制备ZrO₂负载催化剂。N₂吸附显示NiMo/ZrO₂具有17.9 m2/g比表面积和6.5×10^-2 cm3/g孔容的介孔结构，TPR证实其低温还原特性利于氢转移反应。

结果与讨论

溶剂筛选发现IPA使升级油碳含量提升至68.5%，热值达31.2 MJ/kg，显著优于甘油。催化剂性能排序为NiMo/ZrO₂ > CoMo/ZrO₂ > NiMo/Al₂O₃，其中NiMo/ZrO₂在500 psi下脱氧率高达89.6%。TGA显示ZrO₂载体积碳量仅为Al₂O₃的1/3，归因于其疏水性和金属-载体强相互作用。模拟蒸馏证实延长反应时间可提升航空煤油馏分产量。

结论

该研究突破性地实现了一步法高效脱氧，NiMo/ZrO₂催化剂经三次再生循环后仍保持80%以上活性，仅因积碳导致轻微失活。IPA的双重作用（溶剂+氢供体）不仅降低外部氢耗，还通过抑制自由基聚合减少积碳。这项技术为生物燃料产业化提供了经济可行的解决方案，尤其适用于分布式生物炼厂。