催化剂及生物质废弃物的处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及可再生生物质能源技术领域，特别涉及催化剂及生物质废弃物的处理 方法。
【背景技术】
[0002] 轻质芳烃指含有单个苯环的烃类，其中苯、甲苯和二甲苯（亦称BTX)，是有机化工 的基础原料，广泛用于合成纤维、合成树脂、合成橡胶以及各种精细化学品。低碳烯烃是石 油化工的基本原料，下游产品是聚烯烃塑料制品，用途十分广泛，也是国家经济发达程度的 一项标志。但目前市场上，轻质芳烃和低碳烯烃的生产主要依赖石油资源进行生产。中国 石油资源不多，产品供需矛盾突出，这一现象普遍存在于石油资源缺乏的国家。因此开发新 的芳烃生产过程，具有重要的战略意义和现实意义。
[0003] 美国MOBILE公司使用ZSM-5分子筛催化剂将甲醇转化为高质量的芳烃（MTA) (US 4590421);清华大学也成功了开发了 MTA技术（CN101671226A)。近年，华能集团等单位在 MTA技术基础上开发了煤改制芳烃的工艺。但目前这些相对成熟的工艺技术的原料根本上 仍然是局限于化石燃料。
[0004] 生物质为一切有生命的可以生长的有机物质，包括植物、动物和微生物。目前可供 开发利用的生物质资源主要是各种有机废弃物，以农作物秸杆以及林业废弃物等木质纤维 素类物质原料为主。我国生物质资源丰富。一方面，我国是农业大国，每年产生大量的锯末、 秸杆以及稻壳等农林废弃物。另一方面随着我国城市化的进行，每天也产生相当的城市污 水处理污泥。城市污水处理污泥本质为无水中的有机废弃物及细菌残骸堆积，主要成分是 糖类、蛋白质以及油脂。这些农村及城市生产生活中的生物质废气物目前还缺乏合理有效 的资源化利用技术。热解技术能够在中温（400?600°C)、缺氧的条件下，将生物质颗粒迅 速加热裂解产生大量的有机蒸汽。而催化手段可以进一步将生物质热解有机蒸汽可以转化 为轻质芳烃和低碳烯烃。
[0005] 在国内芳烃需求高速增长、产能扩张相对滞后以及美国页岩气革命使全球芳烃烯 烃供给偏紧等多重因素作用下，芳烃烯烃价格将经历一轮价格上涨周期。因此，在芳烃烯烃 价格上涨与我国丰富生物质资源的背景下，开发由生物质废弃物制取轻质芳烃和低碳烯烃 的技术，不仅为芳烃烯烃的生产开辟一条新的技术路线，减少对石油原料的依赖程度，也为 我国生物质废弃物的资源化合理利用找到一条现实可行的出路。
【发明内容】
[0006] 本发明解决的技术问题在于提供一种催化剂及生物质废弃物的处理方法，所述催 化剂催化效率高，使用所述催化剂处理生物质废弃物后芳烃的碳转化率较高。
[0007] 本发明公开了一种催化剂，由以下方法制得：
[0008] (A)将Si/Al为30?80的ZSM-5分子筛浸入Ga(N03)3溶液中进行离子交换，然 后进彳丁抽滤；
[0009] (B)将所述抽滤后的分子筛经干燥后，进行焙烧，得到催化剂。
[0010] 优选的，所述Ga(N03)3溶液的浓度为0? 1?0? 3mol/L〇
[0011] 优选的，所述离子交换和抽滤反复进行3?5次。
[0012] 优选的，所述干燥的温度为120?180°C，干燥的时间为5?12小时。
[0013] 优选的，所述焙烧的温度为450?650 °C，所述焙烧的时间为1?5小时。
[0014] 本发明还公开了一种生物质废弃物的处理方法，包括以下步骤：
[0015] (A)将干燥后的生物质废弃物进行热解，得到有机蒸汽；
[0016] (B)所述有机蒸汽在权利要求1所述的催化剂作用下反应，经分离，得到轻质芳烃 和低碳烯烃。
[0017] 优选的，所述干燥后的生物质废弃物的含水量低于10wt%。
[0018] 优选的，所述热解的温度为500?600 °C。
[0019] 优选的，所述步骤（B)中，所述反应的温度为600?700 °C。
[0020] 优选的，所述催化剂的质量与干燥后的生物质废弃物的质量比为1:2?10。
[0021] 与现有技术相比，本发明的生物质废弃物的处理方法，包括以下步骤：将干燥后的 生物质废弃物进行热解，得到有机蒸汽；所述有机蒸汽在所述的催化剂作用下反应，经分 离，得到轻质芳烃和低碳烯烃。所述催化剂，由以下方法制得：将Si/Al为30?80的ZSM-5 分子筛浸入Ga(N03)3溶液中进行离子交换，然后进行抽滤；将所述抽滤后的分子筛经干燥 后，进行焙烧，得到催化剂。本发明的催化剂为Ga (N03)3改性的ZSM-5催化剂，通过调节硅 铝比以及负载的金属氧化物，调节了催化剂的酸性和孔道结构，从而促进了轻质芳烃和低 碳烯烃的生成。实验结果表明，利用所述催化剂进行生物质废弃物处理，转化得到的轻质芳 烃的碳转化率高于18%，低碳烯烃的碳转化率高于19%。
【具体实施方式】
[0022] 为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是 应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的 限制。
[0023] 本发明实施例公开了一种催化剂，由以下方法制得：
[0024] (A)将Si/Al为30?80的ZSM-5分子筛浸入Ga(N03)3溶液中进行离子交换，然 后进彳丁抽滤；
[0025] (B)将所述抽滤后的分子筛经干燥后，进行焙烧，得到催化剂。
[0026] 本发明所述催化剂是将ZSM-5分子筛经过改性得到的。首先选用Si/Al为30? 80的ZSM-5分子筛为原料，本发明对于所述Si/Al为30?80的ZSM-5分子筛的来源没有 特殊限制，可以通过市售的ZSM-5分子筛通过脱硅处理得到。
[0027] 首先将Si/Al为30?80的ZSM-5分子筛浸入Ga (N03)3溶液中进行离子交换，然后 进行抽滤。所述Ga (N03)3溶液的浓度优选为0? 1?0? 3mol/L，更优选为0? 15?0? 2mol/L〇 所述离子交换时的pH值优选为1?3,更优选为2。所述离子交换时的温度优选为100? 200°C，更优选为130?160°C，最优选为140?150°C。通过离子交换，Ga离子吸附于ZSM-5 分子筛上。所述离子交换后，进行抽滤，去除多余的水分。优选的，所述离子交换和抽滤反 复进行3?5次。通过多次离子交换和抽滤，使得较多的Ga离子吸附于ZSM-5分子筛上。
[0028] 按照本发明，抽滤后，将所述抽滤后的分子筛经干燥后，进行焙烧，得到催化剂。所 述干燥的温度优选为120?180°C，更优选为140?160°C，最优选为150°C;所述干燥的时 间优选为5?12小时，更优选为7?10小时。所述焙烧的温度优选为450?650°C，更优 选为500?550°C;所述焙烧的时间优选为1?5小时，更优选为3?4小时。通过焙烧Ga 离子形成Ga的氧化物（Ga 203)，负载于ZSM-5上，促进轻质芳烃和低碳烯烃的生成。所述轻 质芳烃主要包