通过二氧化碳辅助的催化升级技术强化葵花籽壳热解过程

《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》：Process Intensification of Sunflower Seed Hull Pyrolysis via CO2-assisted Catalytic Upgrading

　　

权多熙|宋浩喆|权爱兰

韩国汉阳大学地球资源与环境工程系，首尔04763

摘要

为了优化向日葵籽壳（SSH）的热化学转化，这项研究系统地探讨了二氧化碳辅助的热解过程。主要目标是优化合成气的生产并深入研究二氧化碳的反应行为。为此，工艺配置从单阶段（SP）逐步升级为多阶段（MP），最终发展为基于镍的催化热解（CP）。在单阶段过程中，二氧化碳诱导的均相反应使一氧化碳产量从7.06毫米摩尔（在氮气氛围下）增加到24.34毫米摩尔（在二氧化碳氛围下），同时生物油产量从45.54%（重量百分比）下降到39.20%。尽管引入多阶段过程以提高合成气产量，但二氧化碳的额外效果有限。相比之下，催化热解过程增强了二氧化碳的功能作用。在二氧化碳存在下，氢气和一氧化碳的产量分别达到21.12毫米摩尔和96.14毫米摩尔，而生物油产量降至5.63%（重量百分比）（相比之下，氮气氛围下为8.49%）。二氧化碳在催化剂表面活化后形成活性中间体，与挥发性物质发生反应，促进脱氧和裂解，从而提高合成气产量。进一步降低载气流量后，二氧化碳相对于氮气的效应从9.30%（800毫升/分钟）提升至15.57%（200毫升/分钟），表明二氧化碳的参与程度依赖于停留时间。因此，在二氧化碳流量为200毫升/分钟的条件下游化后的催化热解过程实现了48.79%的最大能量回收率，是氮气氛围下单阶段过程的5.5倍。总之，通过二氧化碳辅助的催化热解，食品工业废弃物可以可持续地转化为高价值的合成气，为清洁能源系统的发展提供支持。

部分摘录

引言

碳资源在人类活动中起着关键作用，是化学品和燃料的原材料[1]。随着经济的扩张和生活水平的提高，全球对碳的需求日益增加[2][3]。自工业革命以来，这种需求主要由化石燃料满足[4]。因此，这种大量消耗导致大气中人为产生的二氧化碳（CO?）迅速积累[5][6]。这种排放量超出了地球的自然吸收能力

样品制备

向日葵籽壳（SSH）从韩国的商业油加工设施中收集。为去除灰尘和种子残余等杂质，原料用去离子水冲洗后，在80°C的烤箱中干燥24小时。干燥后的SSH通过球磨机（PULVERISETTE 6 Mono Mill，Fritsch，德国）进行机械粉碎，以达到严格低于300微米的均匀粒径。

向日葵籽壳的热解行为

向日葵籽壳作为食用油生产过程中的食品工业废弃物大量产生，为热化学转化提供了可靠的生物质来源[46][53]。为了通过热解将其转化为燃料，了解其随温度变化的热解行为非常重要。这种热解趋势反映了其木质纤维素组成，特别是半纤维素、纤维素和木质素的相对质量比例[54]。然而，其具体组成

结论

本研究成功展示了通过二氧化碳辅助的催化热解逐步优化向日葵籽壳转化为合成气的过程。在非催化的单阶段过程中，二氧化碳作为反应剂，与挥发性物质发生均相反应，从而裂解高分子化合物。随后引入了带有二次加热区的多阶段过程以促进挥发性物质的热裂解。然而，这种热处理方法的气体转化率较低，限制了二氧化碳的进一步利用。

作者贡献声明

权多熙：撰写——初稿、可视化、实验研究、数据分析。宋浩喆：撰写——审稿与编辑、数据分析。权爱兰：撰写——审稿与编辑、指导、概念构思。

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的支持，并由韩国政府（MSIT）资助（项目编号：RS-2023-NR077231）。权多熙还感谢现代汽车 Chung Mong-Koo 基金会的财政支持。