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1、摘 要 赤泥是氧化铝工业产生的强碱性固体废渣。我国每年产生的赤泥为3000万吨以上，目前赤泥大多仍采用筑坝的方式进行堆存，占用了大量土地，也对环境和水资源造成了严重的污染。赤泥富含Fe、Al、Si、Ti等活性成分是一种宝贵的二次资源。因此，赤泥的无害化处理和资源化利用是氧化铝行业急需解决的难题。由于CH 4裂解只产生碳和氢气，不存在COx，简化了氢气的纯化过程。因此，甲烷催化裂解成为一条替代甲烷催化重整、甲烷部分氧化等传统工艺生产氢的有效路径。本文以拜耳法赤泥作为研究对象，采用酸溶-过滤-碱沉淀法对其进行改性处理。采用现代分析测试手段对催化剂样品进行表征和分析，然后利用常压气固相催化反应实验装
2、置研究其催化CH4分解制氢性能。结果显示，通过改性处理的赤泥有更高的甲烷裂解催化活性，同时煅烧温度会影响改性赤泥的催化活性，结果证明低温煅烧更有利于甲烷裂解反应的进行。关键词： 赤泥；改性处理；催化剂；甲烷催化裂解；制氢Abstract Red mud is solid waste produced in alumina industry.In China red mud is produced more than 30 million tons each year,At present, red mud most is dammed to stockpiling , which not on
3、ly occupy much land but also cause pollution of the environment and groundwater.In addition,red mud are rich in Fe, Al, Si, Ti and other active ingredients, its urgent to solve the problem though safe disposal and utilization of red mud of the alumina industry.Since CH4 pyrolysis produces only carbo
4、n and hydrogen,no other COx gases,which makes hydrogen purification process simplified.Therefore, the catalytic cracking of methane become a valid path to replace methane catalytic reforming, partial oxidation of methane and other traditional craft to product hydrogen.In this paper, Bayer red mud as
5、 the research object, using the acid-soluble-alkali and acid precipitation-filtration-its alkaline precipitation modification, catalyst samples characterized were analytics by means of a modern catalyst and then use pressurized gas-solid reaction experimental phase catalytic device CH4 decomposition
6、 of hydrogen catalytic performance.The results showed that red mud through modification, have higher methane catalytic cracking activity of the catalyst performance though different temperatures found more conducive to high-temperature pyrolysis of methane reaction, to improve the conversion rate of
7、 methane hydrogen cracking big beneficial.Keywords: red mud; modification; catalyst; methane catalytic cracking; hydrogen目录摘要IAbstractII1 引言11.1 赤泥的概述11.1.1 赤泥的产生11.1.2 赤泥的基本性质31.1.3赤泥的危害51.2 赤泥的利用现状61.2.1 建筑和结构材料71.2.2 综合回收81.2.4 催化剂101.2.4.2 氨分解制氢121.3 甲烷催化裂解催化剂研究进展131.4 论文研究内容及创新之处141.4.1 研究内容141
8、.4.2 创新点142 试验方法152.1 实验原料152.2 主要实验仪器162.3 催化剂的制备162.3.1 酸溶-过滤-碱沉淀法162.4 催化甲烷裂解的过程172.5 样品物化性质表征182.5.1 综合热分析仪（TG）182.5.2 X射线荧光分析仪（XRF）192.5.3 透射电镜（TEM）192.3.5 氮气吸附仪（N2-sorpotion）192.5.5 扫描电镜（SEM）192.6 催化剂性能测试202.6.1改性前后催化剂性能研究202.6.2 不同煅烧温度改性赤泥催化剂性能研究203 催化剂性能研究223.1 TG分析223.2 XRF分析233.3 SEM分析233.
9、3.1 赤泥原样与450煅烧改性赤泥的SEM分析233.3.2 450和600煅烧的改性赤泥SEM分析243.4 N2吸附分析263.5 TEM分析283.6 实验结果与分析303.6.1 改性前后催化剂性能比较303.6.2 不同煅烧温度改性催化剂性能比较32结论34致谢35参考文献：361 引言1.1 赤泥的概述1.1.1 赤泥的产生赤泥是氧化铝生产过程中排出的固体废渣，具有强碱性和微量放射性(含天然放射性元素铀、钍、钾)1, 2，因含大量氧化铁呈红色，而被称为赤泥。根据危险废物鉴别标准GB 5085.3-2007的规定，赤泥为一般性固体废物，不属放射性废渣，但属于强碱性废渣，是一种严重的
10、碱性污染源。按矿石品位、生产方法和技术水平的不同，每生产1 t氧化铝大约要排放1.0-2.0 t赤泥。 氧化铝是一种两性氧化物，既能溶于酸，又能溶于碱，因酸法在生产过程中具有强烈的腐蚀性，所以目前工业上主要采用碱法生产3，包括烧结法、拜耳法和联合法，相应地会产生三种不同类型的赤泥。（1）拜耳法赤泥拜耳法生产氧化铝是由K.J.拜耳在1889-1892年提出而得名的。拜耳法包括两个主要的过程，一是铝酸钠溶液的晶种分解过程，氧化钠和氧化铝摩尔比为1.8的铝酸钠溶液在常温下，只要添加氢氧化铝作为晶种，并不断搅拌，溶液中的铝酸钠便可以转化为氢氧化铝而徐徐析出，直到其中的氧化钠和氧化铝摩尔比提高到6为止。
11、二是利用种分母液溶出铝土矿的过程，在上一过程中析出的大部分氢氧化铝溶液，在加热时又可以溶出铝土矿中的氧化铝水合物。其实质就是下一反应在不同的条件下交替进行：Al2O3H2O+2NaOH+(3-n) H2O 2NaAl(OH)4 （n=1-3）所得的铝酸钠溶液在稀释和冷却的情况下分解并析出氢氧化铝:NaAl(OH)4=Al(OH )3+NaOH它是在一定的温度和高压条件下，以NaOH溶液溶出铝土矿，使其中的氧化铝水合物按上式反应向右进行得到铝酸钠溶液。溶出铝土矿后，形成赤泥和铝酸钠的混合浆液，浆液经过稀释沉降或过滤使赤泥和铝酸钠溶液彻底分离，分离后从铝酸钠溶液中生产出氧化铝，而赤泥需多次洗涤才能
12、降低氧化钠和氧化铝的损失，然后经过沉降压滤所得的滤渣即为常见的拜耳法赤泥。目前，全世界生产的氧化铝和氢氧化铝，有90%以上是采用拜耳法生产的。拜尔法赤泥粒度较细，化学成分中Al2O3含量较高，SiO2和CaO含量较低，主要由水化石榴石、水合硅铝酸盐以及霞石组成。（2） 烧结法赤泥早在拜耳法提出之前，法国人勒萨特里在1858年就提出了碳酸钠烧结法，但是由于其成品氧化铝质量差，流程复杂且耗能大，所以拜耳法问世后就被淘汰了。后来人们也研究了几种烧结法，但目前用在工业上的只有碱石灰烧结法，即通常所说的烧结法。 烧结法的基本原理是用碳酸钠和石灰石与铝土矿按一定比例配料烧结。在高温下铝土矿中的氧化铝、氧化
13、铁、二氧化硅与碳酸钠、石灰石分别反应，生成铝酸钠、铁酸钠和原硅酸钙的熟料，用水或稀碱溶液溶出熟料时，铝酸钠溶解，铁酸钠水解为苛性碱和氧化铁，氧化铁进入赤泥。原硅酸钙不溶解而残留在赤泥中，但有少量与碱液反应以硅酸钠形式进入溶液。因溶液中含有SiO2杂质故称粗液。分离赤泥后的粗液经脱硅，二氧化硅以含水铝硅酸钠析出，此沉淀物称为钠硅渣或硅渣。分离硅渣后的铝酸钠溶液简称精液。将CO2气体通入精液中，可以析出AI(OH)3。分离氢氧化铝后的碳酸钠溶液(即循环母液)和硅渣再配铝土矿和石灰石烧结。(3) 联合法赤泥 烧结-拜耳联合法可以分为并联、串联以及混联三种基本流程，该法不仅可以扬长避短，而且这种联合为
14、流程中两个系统工艺和设备的最佳化提供了新的可能性。但是，联合法较适宜处理铝硅比值5-7的铝土矿，而且流程比较复杂的，只有当生产规模较大时，采用联合法才是可行的和有利的，而且各种联合法都应以拜耳法为主，才能取得更好的经济效益。由于其生产工艺的特点，混联法赤泥同时具有拜耳法和烧结法赤泥的两种性质。我国氧化铝生产从无到有，至今已有69年的历史。我国第一家氧化铝厂山东铝厂于1954年投产，采用碱石灰烧结法生产工艺，后来进行扩产改造。目前，因矿石资源不同，国内上述三种工艺路线并存。1.1.2 赤泥的基本性质赤泥主要由细颗粒和粗颗粒组成，包含许多铝土矿残余矿物，如赤铁矿(-Fe2O3)、针铁矿(-FeOO
15、H)、一水软铝石(-AlOOH)、金红石(TiO2)、锐钛矿(TiO2)、石英(SiO2)、方钠石(Na4Al3Si3O12Cl)、钙霞石型钠铝硅酸盐(CAN)和石膏(CaSO42H2O)，以及少量方解石(CaCO3)、草酸钙石(CaC2O4H2O)和三水铝石(Al(OH)3)。化学成分分析显示，赤泥主要包含硅、铝、铁、钙、钛，以及一些次要成分：钠、钾、铬、钒、镍、钡、铜、锰、铅、锌等。其化学成分因铝土矿产地、品味和氧化铝生产方法的不同而有所差异，世界各地不同赤泥之间的化学成分相差很大4, 6。一般来说，赤泥平均粒径小于10 m，且粒径小于75 m的赤泥占总量90以上；比表面积可达1025 m
16、2/g；具有强碱性，pH值范围10124。此外，赤泥还具有塑性良好、含水量大、压缩性高、抗剪强度低等特点5。1.1.2.1 赤泥的化学性质 赤泥的化学成分取决于铝土矿的成分、生产氧化铝的方法和生产过程中添加剂的物质成分，以及新生成的化合物成分等。 目前，氧化铝生产方法有三种，即拜耳法、烧结法和联合法，三种不同的方法生产的赤泥成分、性质、物相各异。 表11 是不同的生产方法产生的赤泥的化学成分。表1.1赤泥的化学组成与矿物组成/%Table 1.1 The chemical composition and mineral composition of red mud and mineral co
17、mposition%赤泥种类Al2O3SiO2CaOFe2O3Na2OTiO2K2O拜耳法571922444881222.522.5烧结法5.47.52020.544476.17.52.83680.50.7联合法1325510153121370.63.71.1.2.2 赤泥的物理性质赤泥的物理性质指标主要包括比重、密度、孔隙比、含水量、界限水量（塑限、液限和水塑性指标数等），其指标值见表1.3。表1.3 赤泥的物理性质指标Table 1.3 physical property of red mud序号指标指标值评价1比重G/kNm-32.72.89大于一般土2密度天然密度r14.215.1小于
18、一般土3干密度rd6.68.11小于一般土4孔隙比e2.532.9远大于一般土 续表1.3序号指标指标值评价5含水量W/%82.3105.9远大于一般粘土6界限含量液限WL/%71100大于粘土 高塑性7塑限WP/%44.581远大于粘土8水塑性指数Ip1730大于粘土1.1.2.3 赤泥的物化性质新堆放的赤泥呈流塑状态，无结构强度，易变形和液化。在一定条件下堆放一段时间后，经脱水，析水，干燥硬化过程，进而产生强度。在这一过程中，同时产生一系列的物理化学变化，经胶结和结晶作用，赤泥由流塑状态变为可塑或硬塑状态，并因此具有一定的结构强度。最终，赤泥形成以胶结连接为主、结晶连接为次的多孔架空结构5
19、。如图1-1，赤泥总体上是由一级结构（凝聚体）、二级结构（集粒体）、三级结构（团聚体），以及这些结构之间的孔隙（凝聚体孔隙、集粒体孔隙、团聚体孔隙等）构成，因而具有较大的比表面积，且以大小相差悬殊、变化幅度大为明显特征。其中，凝聚体胶结剂为游离氧化物，集粒体胶结剂为CaCO3。图1-1 赤泥胶结架空结构示意图5Fig. 1-1 The cementation overhead structure diagram of red mud5拜耳法赤泥富含赤铁矿(-Fe2O3)、Al2O3和SiO2，CaO和Na2O含量相对较低；具有多孔架空结构，比表面积较大，是一种极具应用潜力的催化材料和吸附材料。
20、1.1.3赤泥的危害 赤泥的主要污染物为碱、氟化物、钠及铝等，其含量较高，超过了我国规定的排放标准（ 有色金属工业固体废物污染控制标准 GB5058-85）。全世界每年产生的赤泥约7000万吨，我国是氧化铝生产大国，2013年生产氧化铝4437.2万吨（中华人民共和国2013年国民经济和社会发展统计公报），约占世界总产量的46%。随着我国氧化铝产量的逐年增长和铝土矿品位的逐渐降低，赤泥的年产量还将不断增加，预计到2015年，累计堆存量将达3.5亿吨。 目前，我国大量的赤泥不能充分有效利用，其综合利用率仅4%，主要采用露天筑坝的方式堆存赤泥，这种处置方式不仅占用大量土地，浪费资源，还需要建设和日
21、常维护管理的投入，增加了企业生产氧化铝和赤泥的处理成本；同时赤泥中存在的氢氧化物、碳酸盐、铝酸盐等使其具有很高的碱性11，赤泥中的碱还会向地下渗透，造成地下水体和土壤污染；而干燥的赤泥则易形成飘尘，污染环境，造成可入肺颗粒物（PM2.5）浓度增加，对人类和动植物的生存造成负面影响，恶化生态环境6；另外赤泥富含Fe、Al、Si、Ti等活性成分，是一种宝贵的二次资源；赤泥堆放过程中，其表面往往会形成一层白“霜”，而这层“霜”即为从赤泥中析出的可溶性碱10。以未除“霜”的赤泥作建材时，由于其中的碱含量很高而必须减少原料中赤泥的配比才能保证建材的质量，使得大量赤泥不能有效利用。因此，如何处理氧化铝生产
22、过程排放的大量赤泥和碱性大的问题，减少环境污染是氧化铝行业急需解决的难题。1.2 赤泥的利用现状 图1-2介绍了当前赤泥的一些潜在应用领域4-6, 10-12：包括建筑材料4-6,10-12、金属回收1-2, 13-20、吸附剂27-35和催化应用等，但这些研究大多处于实验室阶段，未能实现产业化。图1-2 赤泥的潜在应用领域Figure 1-2 potential applications of red mud 1.2.1 建筑和结构材料赤泥由于其粒度细、质软，有一定的塑性。其物理性质与粘土相似且具有强碱性，对一些工业废渣(矿渣)的活性具有激发作用；同时，由于其碱性氧化物含量高，熔点较低，在高
23、温时其微粒表面形成部分熔融状态。互相粘连并促进各矿物成分的反应。使新的矿物与生成物迅速结晶长大在坯体内形成网络结构，从而具有较高的产品强度；且碱(Na2O)在烧结过程中转化为钠铝黄长石，稳定性高，经雨水溶出后不会给环境带来二次污染。因此，拜耳法赤泥可替代粘土用于烧结砖、微晶玻璃生产或用来做路基材料。由于拜耳法赤泥颗粒比较细可以填充在水泥凝胶体中的毛细孔和气孔之中使水泥凝胶体更加密实且拜耳法赤泥的矿物组成使其本身具有胶凝性因此可将其作为填充材料。 而且赤泥中含有的大量生产硅酸盐水泥熟料所必须的氧化硅、氧化铝，氧化亚铁、氧化钙及一定的硅酸盐矿物，从Si02A1203CaO三元系相图看，赤泥的组成接
24、近水泥熟料的组成范围，因此，赤泥可生产抗硫酸水泥、油井水泥及硅酸盐水泥等多种型号的水泥，它的工艺流程和技术参数与普通硅酸盐水泥基本相同。1.2.2 综合回收 拜耳法赤泥中含有丰富的铁、铝、钙、硅等有用的金属和非金属元素以及钛Ti、钪Sc、锆Zr等贵金属元素，这是一种宝贵而丰富的二次资源26-29。尤其是在矿产资源日益缺乏的条件下，回收这些金属和非金属元素不仅可以实现资源的可持续发展而且具有一定的经济效益和环保效益。目前虽然国内外学者对拜耳法赤泥综合回收的研究取得了一定的进展但是仍存在技术上可行而经济上不合理的问题难以取得较好的经济效益。因此拜耳法赤泥的综合回收面临的问题仍然很严峻，还有很长的路
25、要走。（1）钠的回收赤泥中含有大量的钠，钠以铝硅酸钠的形式存在于赤泥中。从赤泥中回收钠的方法可分为酸法和碱法。酸法就是用酸直接浸出赤泥，经沉淀分离后再从溶液中再回收钠。但用硫酸、盐酸、C02等浸出赤泥的方法，钠金属元素得不到有效的利用，形成的产品为硫酸钠、氯化钠，没有经济效益。碱法分为氧化钙法和碳酸钠法。碱法是回收赤泥中氧化钠的主要方法，但其产生大量的渣量，是目前难以解决的问题。（2）铁的回收拜耳法赤泥中铁含量较高，国内外对拜耳法赤泥中铁的回收进行了广泛的研究15-19，可以实现赤泥中铁的回收利用。拜耳法赤泥中的铁的存在形式主要是赤铁矿和针铁矿，其中赤铁矿占到90以上。各矿物多以Fe、Al、S
26、i矿物胶结体形式存在，晶粒细小，晶形不完整。回收Fe的方法有还原煅烧法、直接磁选法和硫酸亚铁法等。(3)硅的回收 赤泥中含有大量的Si02，以硅酸钙、铝硅酸钙和铝硅酸钠等形式存在于赤泥中。烧结法赤泥中Si02占70一95，因此具有很高的开发利用价值。直接用Na2C03处理赤泥也可获得Na2Si03溶液。或用C02气体与赤泥中的硅酸钙反应，再用NaOH溶液浸出，形成Na2Si03溶液。向Na2Si03中加入铝酸钠溶液，可以制取钠沸石分子筛；向Na2Si03溶液中加入石灰乳可以得到含水硅酸钙；Na2Si03与C02反应可制取白炭黑。拜耳法赤泥中的Si02含量较低，开发价值不大。(4)钪的回收 赤泥
27、中含有很多微量的稀有金属。地球上7580的钪资源是伴生在铝土矿中的，在工业上生产氧化铝时，铝土矿中98以上的钪会富集在赤泥里，赤泥中氧化钪一般会占到0.025左右，金属钪按每公斤10万元15万元计，其潜在的经济价值还是相当可观的20。 目前赤泥提取钪的方法主要有酸浸提取法和还原熔炼法，前者是将赤泥进行酸浸处理，使钪转入溶液，然后酸浸液再萃取(或离子交换)回收钪；后者是将赤泥先行还原除铁、炉渣提氧化铝后，再用酸浸萃取(或离子交换)法或其他方法回收钪2l。(5)钛的回收 Ti02是涂料、造纸、皮革、纺织、制药工业中非常重要且不可替代的原料。赤泥中Ti02的回收一般都采用酸(硫酸、盐酸、磷酸)处理法
28、。Kasliwaletal22将赤泥在60至090，浓度为1.O-1.5M的盐酸溶液中，浸出其中的Fe、Ca、Na、A1等成分，然后与碳酸钠一起在8501150环境下煅烧，然后水洗，就可以富集得到Ti02，富集率达到76。(6) 氧化铝的回收 对于赤泥中的氧化铝，除了在回收氧化钠的过程中同时回收外，其他的回收方法主要有酸溶法、碳酸钠分解法、熔融酸溶萃取耦合法和生物法。拜耳法赤泥颗粒细小。比表面积大其中有效固硫成分Fe2O3、A12O3、CaO、MgO、Na2O等含量高，对H2S、SO241-42，及NOx等污染气体有较强的吸附能力和反应活性。因此拜耳法赤泥可用于污染气体的处理。赤泥处理废气的方
29、法分为干法、湿法两种。干法是利用赤泥表面矿物的活性。直接吸附废气；湿法则是利用赤泥中的碱成分与酸性气体反应而处理废气。研究表明，采用干法脱硫，吸附赤泥可吸附11.3 g SO2。脱硫率约50；而湿法脱硫效果优于干法，其脱硫率高达90。此外对重金属离子及其他一些物质也具有吸附、离子交换和化学活性作用。以拜耳法赤泥为原料，经水洗、酸洗、煅烧活化等步骤后，可制备性能良好的水处理剂。它不仅可以吸附废水中Cd“、Zn2+、Cu“、Ni如、C，、Pbh等重金属离子而且可以吸附废水中P、Asn、As5+、P043一等非金属离子，对废水中的Cs、Sr、U、弧等放射性元素也有一定的吸附作用。利用拜耳法赤泥处理废
30、气、废水的污染物，成本低、工艺简单、能够实现以废治废。具有较好的环境效益、经济效益及社会效益。但目前仅处于实验阶段对于赤泥吸附有毒有害物质的吸附机理分析主要是吸附和化学沉淀其反应动力学理论及更深层次的净水机理还有待进一步的研究：且拜耳法赤泥本身成分复杂，属于强碱性废渣，用其处理废水会导致水体的pH值发生变化，并造成二次污染，给水体带进新的污染因素。如何使拜耳法赤泥的净水效果得到进一步提高，并将其带入到水体中的污染物控制到最低是今后的一个重要研究方向。利用工业废弃物研究开发商用有机染料污染物吸附材料，不仅能有效脱除工业废水中的有机染料污染物，更能实现工业废物赤泥的高附加值资源化利用。1.2.4
31、催化剂利用工业废物研究开发商用催化剂是一种有效的废弃物资源化利用手段，赤泥已经在这方面得到了相当高的重视。下面将对赤泥用作催化剂或载体在各种催化反应中应用的研究现状进行分析。1.2.4.1 氢化反应氢化反应是H2直接或间接与不饱和有机物反应，催化剂的作用是活化H2。赤泥作为氢化催化剂被用于煤41, 42、生物质43、油页岩44、某些有机化合物45,46和石油渣油47的加氢饱和反应。对于煤的氢化和液化，研究发现赤泥中的金属氧化物不易被硫毒化失活，其催化效率低主要是因为表面积较小，有效组分分散度低，需经某些物理化学方法改性以提高其表面积和催化活性，如HCl活化赤泥（ARM）46、硫化赤泥（SRM）
32、48和HCl+H3PO4活化赤泥（PARM）49。另外，在应用于该反应时赤泥不必像贵金属催化剂一样需要回收再利用。Mastral等41研究比较了三种不同形态的铁基催化剂（赤泥、七水硫酸铁和五羰基铁）对高硫低阶煤的催化氢化作用。结果表明：高硫亚烟煤在反应初期加氢脱硫生成的H2S，能引发过渡金属的硫化，促进了煤大分子结构中化学键的断裂，从而提高氢化反应的转化率。400 时具有最佳催化效果，煤氢化转化率超过90。Klopries43等研究了硫化赤泥SRM对四氢化萘加氢液化麦秆的催化性能，并与常用的氢化催化剂CoO-MoO3/Al2O3进行了比较。研究发现：在硫的参与下赤泥可催化生物质加氢液化，与RM
33、相比，硫能降低催化剂所需的反应温度，但它的活性要低于CoO-MoO3/Al2O3，仍需要较高的反应温度（400 ）。Pratt和Christoverson 46利用酸溶碱再沉淀的方法制备出活化赤泥ARM，作为多环芳烃萘的氢化催化剂。结果显示，赤泥活化后表面积由64 m2/g增加到155 m2/g，萘转化率由3.55增加到49；若进一步添加20的TiO2，转化率将增至58，但ARM对萘氢化反应的催化活性低于商业催化剂钼酸镍。赤泥经酸处理后活性增强是因为除去了赤泥中大部分的Ca和Na，表面积增加了142。通过分析反应前后赤泥成分的变化，得出Na和Ti是除Fe以外对催化活性影响最显著的元素。Eams
34、iri50等进行了类似的实验，结果表明，适当提高反应压强和温度，能将萘的转化率提高至80。Llano等研究赤泥作为蒽油（煤焦油蒸馏得到的一种复杂多环芳香烃馏分）的氢化催化剂，将蒽油中的多环芳香烃转化为氢化芳香烃，生成具有氢供体能力的氢化剂。该实验研究比较了RM、ARM和商业催化剂Ni-Mo/-Al2O3的氢化能力。测试前，催化剂经原位硫化处理，并在蒽油中添加1wtCS2以保持催化剂的硫化状态。结果表明，ARM的催化活性虽低于Ni-Mo/-Al2O3，但与RM相比有较大程度的提高。而且，对于将多环芳香烃转化为氢化芳香烃而言，ARM表现出比Ni-Mo/-Al2O3更好的结果。同时还发现，ARM对蒽
35、油中萘的氢化能力与RM相比提高的并不多，与之前的研究（ARM对纯萘的氢化能力与RM相比显著提高）不相符，这表明ARM对单一多环芳香烃（萘）和复杂多环芳香烃混合物（蒽油）的催化活性不同。此后，Alvarez 等在相似的条件下研究了另一种HCl+H3PO4活化赤泥PARM对蒽油的氢化能力，发现磷的加入能进一步提高赤泥的催化活性。1.2.4.2 氨分解制氢随着世界经济的迅猛发展，对传统的煤炭、石油和天然气等化石能源的消耗速度越来越快，化石能源资源愈加显得捉襟见肘，同时，伴随大量化石能源的使用，环境污染和温室效应日益严重，这种能源与环境面临的可持续发展，成为目前重大的国际问题。如何化解这种能源与环境可
36、持续发展面临的瓶颈，成为学术界关注的重大战略问题。其中，可再生能源和新能源这类绿色清洁能源的开发和利用成为普遍关注的方向之一。众所周知，H2是到目前为止最清洁的能源，它燃烧后的唯一产物为H2O。在工业上氢气的制备方法主要有电解水制氢、矿物燃料制氢、生物质制氢和氨分解制氢。其中，电解水制氢耗电量大，通常不具有竞争力。而以化石燃料为基础的工业制氢过程主要存在以下问题：1) 氢气的运输和储存问题；2) 对于一步制氢反应装置和催化剂的稳定性。到现在为止还没有一种储氢材料能够满足燃料电池应用中的实际问题，而研究出一种符合要求的储氢材料非常耗时且需要进行大量的研究。近年来，一步制氢引起了人们的广泛关注。使
37、用含碳物质（如甲醇、甲烷）制备得到的氢气不可避免地含有COx (x=l,2)，而COx即使在极其低的浓度下，也会使燃料电池的电极中毒。使用液氨分解制氢就可以避免这一问题，成了更好的选择。总体来说，氨分解制氢的主要优点有：1) 氢气中不含有COx，没有转化的NH3可以使用适当的吸附剂除去，直到浓度低于200 ppb。2) 室温条件下，约8 atm下，氨气液化成为液体，易于运输。3) 氨的储氢容量为17.7 wt%，能量密度为3000 Wh/kg，高于甲醇等其他燃料。4) 从经济的角度看，与甲醇重整相比，氨分解是更为经济的制氢方式。5) 氨分解一步制氢解决了与氢气净化和储存相关的一系列问题。Fan
38、g51等利用改性赤泥负载Ru制备催化剂，用于氨分解制氢。结果显示，经HNO3处理，700煅烧的改性赤泥负载5Ru制备的催化剂表现出最高的氨转化率（17）。研究表明，酸（HCl或HNO3）和热处理（700）能增加赤泥的活性。因为经酸和热处理后，赤泥表面积和总孔容增大，还原性增强，增加了Ru在赤泥表面的分散度；另外，改性赤泥具有较高的酸度，能够促进NH3吸附在催化剂表面。Yin等关于氨分解催化剂的研究表明，高效氨分解催化剂的条件包括四个方面：一是活性组分，在Fe、Ni、Ru、Pt等众多金属中，Ru的氨分解活性最高，但价格昂贵，而Ni价格低廉，也具有较高的活性；二是载体，同等条件下，载体稳定性越好，
39、比表面积越大，碱性越强，电导率越高，则催化剂性能越好；三是促进剂，KOH被认为是最好的促进剂；四是吸电子体的影响，适当去除活性组分、载体和促进剂制备过程中产生的吸电子体（如SO42-,Cl-,PO43-），能有效提高催化剂活性，降低表面活化能。段学智，钱刚等利用基于密度泛函理论的第一性原理来研究NH3在Ni (1 1 0) 表面的吸附和分解。结果显示，Ni (1 1 0) 比Ni (1 1 1) 和Ni (2 1 1)具有更好的氨分解活性，这就意味着镍基催化剂催化氨分解反应是结构敏感型反应。综上所述，本人认为可对赤泥进行相关改性，负载Ni (1 1 0) 制备高效氨分解催化剂。1.3 甲烷催化
40、裂解催化剂研究进展G F Froment等研究了甲烷在镍基催化剂上的裂解机理。该机理如下：表面反应CH4+LCH4-L；CH4-L+LCH3-L+H-L；CH3-L+LCH2-L+H-L；CH2-L+LCH-L+H-L；CH-L+LC-L+H-L；2H-LH2+2L。B溶解/分离 C-LCNi,f+LNi,f,。C 碳通过催化剂颗粒扩散CNi,fCNi,r。D 碳的沉积CNi,fCW。CH4在金属Ni中心上的解离是逐步进行的，即通过CH3CH2CHC逐步解离为金属碳化物和氢，半经验计算表明由于CH3物种中金属与吸附质之间相互作用力较弱，高氢量的CHx例如CH3比CH2、CH更为活跃，因此在金属
41、活性位与载体之间迁移的物种主要为CH3，即H2以及低含氢量的C物种主要由CH3-产生，这种解离机理能够解释大多数的实验现象。目前，世界面临着两大挑战：不断增长的能量需求与日趋紧迫的环境问题的困扰。氢气由于在燃烧过程中不产生CO、CO2等温室气体而被称作清洁无污染燃料，近年来，甲烷催化裂解技术制取高纯氢气受到广泛关注，简化了氢气的纯化过程，所制得的氢气可以直接用于HO燃料电池。因此，甲烷催化裂解成为一条替代甲烷催化重整、甲烷部分氧化等传统工艺生产氢的有效路径。本文将以改性赤泥MRM-450和MRM-600为催化剂，运用X射线衍射仪（XRF）、热重分析仪（TG）等现代分析测试手段对样品进行了表征，
42、并利用常压气固相催化反应实验装置研究其催化CH4分解制氢性能。本文以拜耳法赤泥作为研究对象，采用酸溶-碱沉淀法和酸溶-过滤-碱沉淀法对其进行改性处理，以降低其强碱性，改善其化学组成和表面微观结构，为其高附加值资源化利用创造条件。1.4 论文研究内容及创新之处1.4.1 研究内容 根据研究目标，确定具体研究内容包括： （1）利用酸溶过滤碱沉淀法对拜耳法赤泥进行改性； （2）借助XRD、热重分析仪TG、扫描电子显微镜SEM和透射电子显微镜TEM对改性赤泥催化剂的成分、组织结构及形貌进行表征、分析，并与改性前赤泥做比较分析； （3）研究催化剂预处理过程中的煅烧温度（450、600）对其催化甲烷裂解性
43、能的影响以及催化剂H2还原前后催化甲烷裂解性能对比。1.4.2 创新点（1）利用酸溶过滤碱沉淀法对赤泥进行改性，提高了比表面积，颗粒大小更加均一。同时根据宏观实验结果及表征结果对改性方法作出改性。（2）利用改性赤泥催化甲烷裂解，提高了赤泥的催化活性，为赤泥催化应用提供了一个新的研究思路。2 试验方法2.1 实验原料本论文所用拜耳法赤泥取自河南中美铝业拜耳法赤泥堆场，主要化学成分如下：Fe2O3 (15.05%)，Al2O3 (23.25%)，SiO2 (16.94%)，CaO (16.94%)，TiO2 (4.27%)，Na2O (3.72%)，MgO (1.93%)，NiO (0.062%)
44、。该赤泥pH值为10.26，具有强碱性。实验前进行干燥，研磨，筛分（100目）等预处理。其他原料和试剂见表2-1。表2-1实验原料和试剂Tab.2-1 Materials and reagents required in the experimental试剂名称化学式规格试剂来源浓硝酸HNO367%洛阳市化工试剂厂氨水NH3H2O25-28%烟台市双双化工有限公司无水乙醇CH3CH2OHA.R.天津科密欧化学试剂有限公司去离子水H2O河南理工大学理化学院2.2 主要实验仪器实验中所用主要仪器和设备如表2-2所示。表2-2 仪器和设备Tab. 2-2 Instruments and equipm
45、ent required for sample preparation仪器名称仪器型号生产厂家电子分析天平FA1004上海舜宇衡平科学仪器有限公司实验室pH计PHSJ-3F上海精密仪器仪表有限公司恒温磁力搅拌器85-2常州翔天实验仪器厂电热恒温鼓风干燥箱 DHG101-3A巩义市予华仪器责任公司真空抽滤器 TTGM，1L北京京辉凯业科技有限公司机械搅拌器JJ-1金坛市科兴仪器厂快速升温管式炉STG-12T洛阳神佳窑业有限公司续表2.2仪器名称仪器型号生产厂家X射线衍射仪Bruker D8德国布鲁克公司热重-差热分析仪 NETZSCH STA449C加压气固相催化反应实验装置 天津大学北洋化工实验设备公司气体在线分析仪Gasboard-3100P 司武汉四方光电科技有限公2.3 催化剂的制备2.3.1 酸溶-过滤-碱沉淀法橘黄色透明溶液5mol/L硝酸200ml拜耳法赤泥20g 机械搅拌2h 缓慢滴加氨水+ 真空抽滤剧烈搅拌 溶液变浑浊粘稠深橘黄色PH8.0深橘黄 色膏状物 静置老化0.5h后抽滤 转移至蒸发皿中 去离子水洗至中性 120鼓风干燥4h 研磨筛分至200目以下在管式炉内H2气氛600还原研磨成颗粒 马弗炉程序升温 空气中煅烧2h 图2-1 酸溶过滤碱沉淀法改性赤泥流程图Figure 2-1 acid -