首页 行业 移动快检食品环境先进材料化工生命科学制药临床 导购 电商 仪器谱 直播 前沿Lab 博客 会议 人才 搜索
李伟教授课题组

李伟教授课题组

400-6699-117转1000

生物燃油转化

生物质能,就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量,即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用,是唯一可替代化石能源转化成气态、液态和固态燃料以及其它化工原料或者产品的碳资源。生物质能作为一种洁净而又可再生的能源蕴藏量极其丰富,据估计,全世界每年由光合作用而固定的碳达2×1011吨,含能量达3×1018千焦,可开发的能源约相当于全世界每年耗能量的10倍;生成的可利用干生物质约为1700亿吨,而目前将其作为能源来利用的仅为13亿吨,约占其总产量的0.76%,资源开发利用潜力巨大.

生物航煤是以动植物油脂为原料采用催化加氢等技术生产的航空煤油。提到生物航煤,就不得不说生物柴油。尽管在20世纪80年代美国科学家就提出了生物柴油的概念并对其进行了大量的研究,形成了以脂肪酸甲酯为代表的第一代生物柴油。然而其含氧量太高,热值相对比较低,其组分化学结构与柴油存在明显的不同,因此第一代生物柴油并没有得到广泛的应用。由于第一代生物柴油在使用过程中的弊端,直到近几年,研究者们提出对第一代生物柴油进行加氢脱氧、异构化等反应得到类似柴油组分的烷烃,才形成了第二代生物柴油制备技术。第二代生物柴油在化学结构上与柴油完全相同,具有与柴油相近的黏度和发热值,具有较低的密度和较高的十六烷值、硫含量较低、倾点低以及与柴油相当的氧化安定性等优势,可在柴油中较大比例的添加使用。生物航煤主要由C9~C16的直链烷烃组成,成分与常规石油基喷气燃料类似,并具有较好的低温发动机启动性能及润滑性。相比较于传统航煤,生物航煤可实现减排二氧化碳55-92%,其组成结构和石油基航空喷气燃料相似,可满足航空器动力性能和安全要求,不需更换发动机和燃油系统,具有很高的环保优势。开发生物航煤已被公认为航空业实现碳减排目标的根本途径。

生物航煤的生产工艺主要包括以下三种:费托合成、加氢脱氧、快速热解。(1)费托合成是指在高温、高压下,生物质通过热化学工艺转化为合成气(主要成分是H2和CO),合成气通过费托合成工艺生成各种烃类和含氧有机化合物,所得产品通过进一步加氢脱氧处理即可制成生物航煤[7]。(2)加氢脱氧是指将植物油脂或动物油脂通过深度加氢生成加氢脱氧油。为使生产的加氢脱氧油达到直接与石油基燃料掺混的要求,加氢脱氧油需进一步通过加氢异构反应增加分子支链。(3)快速热解是指生物质在无氧或缺氧条件下迅速受热分解,最终生成木炭、生物油和不可冷凝气体的热化学过程。快速热解技术通常与催化技术相结合,进一步对产品进行加氢脱氧处理。综上分析,生物航煤的三种主要生产工艺都会涉及到催化加氢脱氧反应;我们选择加氢脱氧/加氢异构工艺来进行蓖麻油转化制备生物航煤研究。

金属填隙化合物

金属填隙化合物是非金属原子填隙地插入到金属晶格中所形成的一类金属填隙型化合物。主要包括:金属碳化物、金属氮化物、金属磷化物等。它同时有金属键、共价键和离子键的成分,因而兼有共价固体、离子晶体和过渡金属的特性。
过渡金属磷化物的结构.

金属有机骨架材料

金属有机骨架材料(MOFs)是近十年来发展迅速的一种配位聚合物,具有三维的孔结构,一般以金属离子为连接点,有机配体位支撑构成空间3D延伸,系沸石和碳纳米管之外的又一类重要的新型多孔材料,在催化,储能和分离中都有广泛应用,目前,大多数研究人员致力于氢气储存的实验和理论研究。 金属阳离子在 MOFs 骨架中的作用一方面是作为结点提供骨架的中枢,另一方面是在中枢中形成分支,从而增强MOFs 的物理性质(如多孔性和手性) 。这类材料的比表面积远大于相似孔道的分子筛,而且能够在去除孔道中的溶剂分子后仍然保持骨架的完整性。因此,MOFs 具有许多潜在的特殊性能,在新型功能材料如选择性催化、分子识别、可逆性主客体分子(离子) 交换、超高纯度分离、生物传导材料、光电材料、磁性材料和芯片等新材料开发中显示出诱人的应用前景,给多孔材料科学带来了新的曙光 。 常见的不同类型的金属有机骨架材料的结构如下图所示:

        MOFs 材料作为储氢领域的一名新军,由于具有纯度高、结晶度高、成本低、能够大批量生产、结构可控等优点,正受到全球范围的极大关注,近年来已成为国际储氢界的研究热点。经过近 10 年的努力,MOFs 材料在储氢领域的研究已取得很大的进展,不仅储氢性能有了大幅度的提高,而且用于预测 MOFs材料储氢性能的理论模型和理论计算也在不断发展、逐步完善。但是,目前仍有许多关键问题亟待解决。比如,MOFs 材料的储氢机理尚存在争议、MOFs材料的结构与其储氢性能之间的关系尚不明确、MOFs 材料在常温常压下的储氢性能尚待改善。这些问题的切实解决将对提高 MOFs 材料的储氢性能并将之推向实用化进程发挥非常重要的作用。

纳米催化材料

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料,这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。

  纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟,是生产其他三类产品的基础。

纳米粉末   又称为超微粉或超细粉,一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒,是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。可用于:高密度磁记录材料;吸波隐身材料;磁流体材料;防辐射材料;单晶硅和精密光学器件抛光材料;微芯片导热基片与布线材料;微电子封装材料;光电子材料;先进的电池电极材料;太阳能电池材料;高效催化剂;高效助燃剂;敏感元件;高韧性陶瓷材料(摔不裂的陶瓷,用于陶瓷发动机等);人体修复材料;抗癌制剂等。

纳米纤维   指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。可用于:微导线、微光纤(未来量子计算机与光子计算机的重要元件)材料;新型激光或发光二极管材料等。静电纺丝法是目前制备无机物纳米纤维的一种简单易行的方法。

纳米膜   纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起,中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于:气体催化(如汽车尾气处理)材料;过滤器材料;高密度磁记录材料;光敏材料;平面显示器材料;超导材料等。

纳米块体   纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。主要用途为:超高强度材料;智能金属材料等。

        由纳米材料的尺寸是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域,从通常的关于微观和宏观的观点看,这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统,是一种典型的介观系统,它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒(纳米级)后,它将显示出许多奇异的特性,即它的 稀土纳米材料 光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。

理论计算化学

计算化学(computational chemistry)是理论化学的一个分支。计算化学的主要目标是利用有效的数学近似以及电脑程序计算分子的性质(例如总能量,偶极矩,四极矩,振动频率,反应活性等)并用以解释一些具体的化学问题。计算化学这个名词有时也用来表示计算机科学与化学的交叉学科。
        本实验室主要采用的是第一性原理来从原子级别模拟反应的发生,从而计算、推测出反应的机理,为更有效的更新、提高催化剂做效能做出理论上贡献。

        第一原理方法(Ab initio methods),也称为从头算方法,常指基于量子力学理论的,完全由理论推导而得,不使用基本物理常数和原子量以外的实验数据、以及经验或者半经验参数的求解薛定谔方程的方法。大多数情况下这些第一原理方法包括一定的近似,而这些近似常由基本数学推导产生,例如换用更简单的函数形式或采用近似的积分方法。

无汞氯乙烯催化剂

  氯乙烯( vinyl chloride monomer) 简称VCM。在工业上,氯乙烯是合成聚氯乙烯( PVC)的重要原料。聚氯乙烯是合成树脂中五大通用树脂之一,也是氯碱工业持续发展的支柱产品,还是促进石化工业发展的重要产品之一。随着我国社会的飞速发展,PVC的生产和在各行业的消费急遽增长。1995年我国PVC产量为137.4万吨,表观消费量为187万吨;2009年,中国聚氯乙烯总产量916万吨,其中电石法聚氯乙烯产量580万吨,占总产量的63.3%。面对如此惊人的数字,我们知道,作为聚氯乙烯不可替代的合成原料氯乙烯的需求量会大幅度增加。中国聚氯乙烯行业目前处于高速发展期,对技术进步、节能减排、清洁生产的需求非常迫切。聚氯乙烯行业将在未来很长一段时间内始终保持快速稳定的发展趋势,氯乙烯市场有着极大的挖掘潜能。如何更加快捷、有效、安全、环保地生产氯乙烯成为抢占市场的重要法宝,更成为各大公司、高校、科研机构的研发焦点。

        以电石法聚氯乙烯的生产工艺为主线是我国聚氯乙烯工业在21世纪初发展壮大过程中的一大特色,采取这种区别于其他国家和地区聚氯乙烯工业的特色发展模式最重要取决于我国"缺油、贫气、富煤"的能源结构,同时也因为乙烯法的工艺路线难以满足国内聚氯乙烯工业全面健康发展的需要。电石法聚氯乙烯产业的发展符合国内能源结构的现状,符合国内聚氯乙烯乃至整个氯碱行业发展的客观要求。具有中国特色的电石法聚氯乙烯产业的健康快速成长,不仅奠定了近5、6年来中国氯碱工业实现跨越式发展的基础,同时也将是未来推动中国聚氯乙烯乃至整个氯碱工业国际竞争力不断提升的中坚力量。       

        电石法生产聚氯乙烯催化剂,国内几乎全部采用氯化汞催化剂。目前,我国每吨聚氯乙烯消耗氯化汞触媒平均约1.2千克(以氯化汞平均含量约11%计),以2009年我国电石法聚氯乙烯产量约580万吨计算,我国电石法聚氯乙烯行业使用汞触媒约6960吨,氯化汞的使用量约766吨,汞的使用量约566吨。废汞触媒是生产中主要的含汞固体废物(氯化汞含量约4%),尽管在后续的含汞废物收集处理方面企业已采取了有效的防控措施,但生产过程中仍有少量的汞排放进入环境。如何有效解决电石法聚氯乙烯行业汞消耗量大及汞排放造成的汞污染问题,是行业企业面临的来自环境保护方面的严峻考验。汞污染问题同样面临着巨大的国际压力。当前国际社会对汞问题讨论的核心是要限制,甚至最终淘汰汞的使用和开采;未来我国将存在严重的汞供需削减问题以及出口贸易中的汞废物处理问题,将来还很要面临履行国际公约的压力,如不及早重视和加强对汞污染控制管理,必将造成被动局面。面对国际巨大压力,国内压力也不容乐观。由于全国大部分汞矿已经资源枯竭,汞的价格也一路飙升。随着欧盟将于2011年7月起全面禁止汞的出口贸易,关闭各大汞矿,目前国际上只有吉尔吉斯斯坦和中国具有正开采的汞矿,汞的价格还会随着汞资源的日益紧张不断上涨,这也将严重影响耗汞行业的生存。 面临如此紧迫的国内外形势,我们必须彻底解决汞使用及污染问题。我们的首要任务就是依靠科技的发展创造出高效环保的无汞催化剂取代传统的氯化汞催化剂以及低汞催化剂,从根本上解决催化剂中汞污染问题,并创造出单位产品产污系数最低且资源及能源消耗最少的先进工艺。节能降耗和消除污染是聚氯乙烯发展的必然之路。无汞催化剂的开发刻不容缓,势在必行。

 

进入实验室博客

相关实验室